KR101050263B1 - 연료전지용 프록스반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 프록스반응기에 관한 것으로, 프록스 촉매(41)가 충진된 반응관(40)이 수직 상태로 설치되고, 촉매(41)의 낙하를 방지하는 하부타공판(80)의 상부에 그물망(100)이 설치되어 촉매(41)에 의한 응축수 배출경로(하부타공판의 구멍(81))의 차단 현상을 방지한다.

따라서, 응축수 배출이 원활하게 이루어져 촉매가 젖지 않게 되고, 그에 따른 CO 제거 반응 저해 현상이 방지됨으로써 프록스반응기의 CO 제거 성능이 향상된다.

프록스반응기, 선택적 산화 반응기, CO제거반응기

Description

연료전지용 프록스반응기{preferential oxidation reactor for fuel cell}

본 발명은 연료전지용 프록스반응기에 관한 것으로, 특히 응축수로 인한 반응 감소 문제를 해결하여 보다 원활히 일산화탄소(CO)를 제거할 수 있도록 된 연료전지용 프록스반응기에 관한 것이다.

연료전지의 스택은 수소가스와 산소를 전기 화학 반응시켜 전기를 생성하고 부산물로서 물을 배출한다.

스택의 연료로 이용되는 수소가스는 통상 탄화수소계 연료를 개질하여 얻는데, 개질가스에 포함된 CO가 스택 촉매를 피독시켜 원활한 반응을 저해하므로 스택으로 공급되기 전에 복수의 반응기를 순차적으로 통과시켜 CO의 양을 감소시키고 있다.

그 중 마지막 반응기인 프록스반응기(PrOx reactor)에서는 선택적 산화반응을 통해 CO를 이산화탄소(CO₂)로 산화시킴으로써 개질가스의 수소함량을 스택에서 요구되는 수준 이하(10ppm 이하)로 감소시킨다.

종래의 프록스반응기는 사각의 금속 판재가 겹쳐진 구조로 이루어진다. 금속 판재의 일측면에는 입구로부터 출구까지 판재의 폭방향으로 좌우 왕복하면서 진행하는 형상의 채널이 형성되고, 그 채널의 내부에 촉매가 담지되어 있다.

따라서, 개질가스가 상기 채널을 통과하면서 선택적 산화반응에 의해 CO가 제거되도록 되어 있다.

또한, 또 다른 금속 판재에도 동일 형상의 채널이 형성되고, 그 채널에는 냉각수가 공급됨으로써 발열반응인 선택적 산화반응에서 발생하는 열을 제거하여 지속적으로 적정 온도를 유지할 수 있도록 되어 있다.

상기와 같은 평판형 프록스반응기는 금속 판재의 측면에 채널을 정교하게 형성해야만 하므로 제작이 용이하지 않고 소요 비용이 증가되는 단점이 있었다.

한편, 프록스 반응기에서는 CO의 산화 반응 이외에도 부반응으로서 수소와 산소가 결합하여 물이 생성되고, 또한 개질가스내에 포함된 수증기가 냉각수의 작용에 의해 응축되어 물이 생성된다.

그런데, 상기 평판형 프록스반응기에서는 반응가스의 이동경로가 수평 상태이므로 채널의 내부에서 생성된 물의 배출이 원활하게 이루어지지 않음으로써 촉매가 젖게 되어 선택적 산화 반응이 정상적으로 이루어지지 않게 된다.

따라서, 개질가스에서 CO를 요구량 이하로 제거하지 못함으로써 스택이 정상적으로 발전하지 못하게 되며, 장기적으로 스택의 내구성을 저하시키는 문제점이 있었다.

상기와 같이 프록스반응기내에서 선택적 산화반응이 정상적으로 이루어지지 않으면 선택적 산화반응에 의한 발열량이 감소되고 이에 냉각수 작용에 의해 반응기내 온도가 감소하여 반응경로 전체에 걸쳐 반응이 감소되므로 프록스반응기에서의 CO제거는 거의 이루어지지 않게 되는 바, 문제가 더욱 심화된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 사항을 고려하여 안출된 것으로, 단순 구조로 이루어져 제작이 용이하고, 반응기 내부에 생성된 응축수의 배출이 원활하게 이룽져 응축수에 의해 선택적 산화 반응의 저해 현상이 해소되며, 이에 개질가스내 CO 함량을 스택 요구 수준대로 제거할 수 있어서 스택의 발전성능이 향상됨은 물론 스택의 내구수명이 증대될 수 있도록 된 연료전지용 프록스반응기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

냉각수유입관과 냉각수배출관이 구비된 하우징과;

상기 하우징의 상부를 차단하고 반응가스유입관이 구비된 상부커버와;

상기 하우징의 하부를 차단하고 반응가스배출관이 구비된 하부커버와;

상기 하우징의 상단과 하단에 설치된 상부지지플레이트와 하부지지플레이트;

상기 상부지지플레이트와 하부지지플레이트의 연통공에 연통되도록 설치되고, 내부에 선택적 산화 반응을 위한 촉매가 충진된 반응관들을 포함한다.

또한, 상기 반응관들의 상부와 하부에 상기 촉매의 이탈을 막아주는 상부타공판과 하부타공판이 구비된다.

또한, 상기 하우징의 상단에 가이드링이 설치되어, 상기 상부커버와 상부타공판의 사이에 반응가스 확산공간이 형성된다.

또한, 상기 하부커버가 원추형으로 형성되고, 그 중앙에 상기 반응가스배출관이 형성된다.

또한, 상기 하부지지플레이트와 하부타공판의 사이에 그물망이 설치된다.

또한, 상기 하우징의 내부 중앙에 히터가 구비된다.

이상 설명한 바와 같은 구성의 본 발명에 의하면,

촉매가 충진된 반응관이 상하방향으로 설치됨으로써 응축수의 배출이 용이하여 응축수에 의한 선택적 산화 반응의 저해 현상이 발생하지 않게 되므로 프록스반응기의 CO 제거 성능이 향상된다.

상기와 같이 정상적으로 CO가 충분히 제거된 개질가스가 스택으로 공급되므로 스택의 발전 성능이 향상되고 내구수명이 증대된다.

상기와 같은 효과는 하부타공판의 상부에 그물망이 구비되어 촉매에 의한 하부타공판의 구멍 막힘 현상이 해소됨으로써 보다 확실히 발생할 수 있다.

또한, 가이드링이 구비되어 반응가스 확산공간이 형성됨으로써 모든 반응관에 균일하게 반응가스가 공급되어 촉매 이용 효율이 향상되므로 CO 제거 성능이 향상된다.

또한 하부커버가 원추형으로 형성되어 응축수의 배출이 용이하게 이루어진다.

또한, 히터가 구비되어 초기 시동 시간이 감소되는 효과가 있고, 특히 히터가 반응기 내부 중앙의 빈 공간에 설치되므로 반응기의 크기가 증가되지 않는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 프록스반응기의 외형 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 프록스반응기의 내부 단면도이며, 도 3의 (a)는 가이드링의 평면도, (b)는 도 2의 A-A선 단면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 프록스반응기는 원통형 반응기로서, 반응기의 외부 몸체를 이루는 하우징(10)이 원통형으로 형성되어 있으며, 상기 하우징(10)의 상부와 하부는 각각 상부커버(20)와 하부커버(30)에 의해 외부와 차단되어 있다.

상기 하우징(10)의 내부에는 다수의 반응관(40)이 상하방향으로 설치된다.

상기 반응관(40)은 원형관으로서 하우징(10)의 중앙을 중심으로 동일한 반경 상에 등간격으로 설치되고, 내부에 프록스 반응을 위한 촉매(41)가 채워진다.

또한, 상기 반응관(40)의 설치를 위해 상기 하우징(10)에는 상부지지플레이트(50)와 하부지지플레이트(60)가 설치된다.

상기 상부지지플레이트(50)와 하부지지플레이트(60)는 각각 하우징(10)의 상단부와 하단부에 용접되며, 상기 반응관(40) 설치 위치에 반응관(40)의 내경과 동일한 직경의 연통공(51,61)이 형성되어 있다.

따라서, 상기 연통공(51,61)의 테두리 부분에 반응관(40)의 상단과 하단이 각각 용접됨으로써 반응가스 경로와 냉각수 경로가 완전히 분리된다.

즉, 상기 하우징(10)과 상,하부 지지플레이트(50,60) 및 원형관(40)에 의해 형성되는 내부공간에 냉각수가 흐르게 되는데, 상기 하우징(10)에는 하부에 냉각수유입관(11)이 형성되고 그 반대쪽 상부에 냉각수배출관(12)이 형성되어 있어서 냉각수의 공급 및 배출이 이루어질 수 있도록 되어 있다.

한편, 상기 상부커버(20)와 하부커버(30)의 중앙에는 각각 반응가스유입관(21)과 반응가스배출관(31)이 구비된다.

따라서, 상기 반응가스유입관(21)으로 유입된 반응가스가 촉매의 작용으로 선택적 산화반응을 일으키고, 이후 CO 함량이 감소된 개질가스와 이산화탄소 그 외 산소의 공급을 위해 공급된 공기의 나머지 성분 및 부반응으로 생성된 물 등이 상기 반응가스배출관(31)으로 배출된다.

한편, 상기 반응관(40)에 충진되는 촉매(41)를 반응관(40) 내부에 유지시키기 위하여 하우징(10)의 상단과 하단에는 상기 반응관(40)의 상, 하 개구부를 막아주는 상부타공판(70)과 하부타공판(80)이 설치된다.

상기 상부타공판(70)과 하부타공판(80)은 스테인리스 스틸 플레이트에 작은 원형 구멍(71,81)이 다수 형성된 것으로, 상기 구멍(71,81)이 촉매(41)의 직경보다 작게 형성되어 있어서 촉매(41)가 반응관(40)의 외측으로 빠져나가는 것을 방지하면서 반응가스는 이동할 수 있도록 하는 역할을 한다.

한편, 상기 상부타공판(70)의 상측으로 상기 하우징(10)의 상단에는 가이드링(90)이 설치된다.

상기 가이드링(90)은 하우징(10)의 상단과 상부커버(20)의 사이에 설치되는 것으로 반응가스유입관(21)과 상기 상부타공판(70)의 사이에 가스확산공간(91)을 형성한다.

이제 본 발명의 작용 효과를 설명한다.

상기 구성에 의하면, 반응가스유입관(21)을 통해 유입된 반응가스(개질가스와 공기)는 상기 확산공간(91)에서 하우징(10)의 반경 방향 전체로 퍼져 각 반응 관(40)으로 균일하게 유입된다.

반응관(40) 내부에서 반응가스는 촉매(41)의 작용으로 선택적 산화 반응을 일으켜 CO가 CO₂로 산화됨으로써 개질가스의 CO가 제거된다.

이때 냉각수유입관(11)으로 공급된 냉각수는 상기 반응관(40)의 외주면에 접촉하면서 흘러 상부의 냉각수배출관(12)을 통해 배출되는데, 이 과정에서 반응관(40)과 열교환하여 반응관(40) 내부의 온도를 선택적 산화 반응이 최대로 활발하게 이루어질 수 있는 온도로 유지한다.

한편, 반응가스에 포함된 수증기가 응축되거나 또는 선택적 산화반응의 부반응으로서 생성된 물은 반응관(40)의 내벽을 타고 하방으로 흘러내려 반응관(40)으로부터 배출된다.

즉, 반응기 설치상태에서 상기 반응관(40)이 도시된 바와 같이 수직 상태로 있게 되므로 응축수가 중력에 의해 하방으로 용이하게 배출된다.

상기와 같이 응축수가 신속히 배출되어 반응관(40) 내부에 응축수가 머물지 않게 됨으로써 응축수에 의해 촉매가 젖지 않게 되고, 이에 촉매 작용이 원활히 이루어져 선택적 산화 반응이 활발하게 이루어짐으로써 개질가스의 CO 제거가 원활히 이루어진다.

또한, 상기와 같이 응축수의 배출이 원활히 이루어지므로 반응관(40)의 하부로부터 모세관 현상에 의해 응축수가 상부로 이동하여 촉매의 비활성 영역이 확장되는 현상이 방지된다.

따라서, 응축수에 의한 반응 억제 현상이 최소화되는 바 프록스반응기가 정상적으로 CO 제거 작용을 수행할 수 있게 된다.

상기와 같이 반응관(40)의 전 영역에 걸쳐 보다 활발한 CO 제거 반응이 이루어짐으로써 반응가스배출관(31)을 통해 배출되는 개질가스의 CO 함량은 스택이 요구하는 10ppm 이하의 수준이 되며, 이에 스택은 CO에 의한 촉매 피독의 우려 없이 활발한 전기 화학 반응을 통해 전력을 생산하므로 성능이 향상되고, 내구 수명이 증진된다.

한편, 상기 하부커버(31)는 테두리 부분으로부터 중앙부분으로 갈수록 높이가 낮아지는 콘(cone) 형상으로 이루어져 있다.

따라서, 각 반응관(40)에서 떨어지는 응축수가 하부커버(31)의 내측 경사면을 타고 반응가스배출관(31)이 위치한 중앙 부분으로 용이하게 모여들 수 있도록 되어 있으며, 이에 상기 반응가스배출관(31)을 통한 응축수의 배출도 원활하게 이루어진다.

한편, 상기 반응관(40) 내부의 촉매(41) 역시 중력에 의해 하방으로 힘을 받는데, 촉매 알갱이의 위치에 따라 촉매가 상기 하부타공판(80)의 구멍(81)을 막게 되므로 실제로 완전히 개방된 구멍(81)의 수가 감소하는 경우가 발생한다.

이와 같이 하부타공판(80)의 구멍(81)이 막히면 응축수의 배출이 원활히 이루어지지 않으므로 반응관(40) 내 하부 촉매(41)부터 젖어들고, 이후 모세관 현상에 의해 응축수가 상승하여 반응관(40)의 상부 영역까지 촉매의 작용이 억제됨으로써 CO 제거 반응이 정상적으로 이루어지지 않게 되는 결과를 초래할 수 있다.

상기 현상의 방지를 위하여 본 발명은 상기 하부지지플레이트(60)와 하부타공판(80)의 사이에 그물망(100)이 설치될 수 있다.

상기 그물망(100) 역시 스테인리스 스틸 재질로 제작되나 타공판(80)과 같이 박판이 아니고, 그물눈이 타공판(80)의 구멍(81)과 엇갈려 일치하지 않게 위치하는 부위가 많게 되며, 또한 촉매(41)와 타공판(80)의 직접적인 접촉을 차단함으로써 그물망(100) 상부의 촉매(41) 알갱이가 상기 구멍(81)을 막는 현상을 방지할 수 있다.

따라서, 전술한 바와 같이 응축수의 배출이 원활히 이루어지므로 원활한 CO 제거 작용이 이루어져 양질의 개질가스 생산 및 스택의 성능 향상, 내구수명 증진과 같은 본 발명의 목적을 달성할 수 있게 된다.

한편, 선택적 산화 반응은 일정한 온도 조건에서 일산화탄소와 산소가 선택적으로 반응하는 것이므로 온도조절이 중요하다. 그런데, 초기 가동시 상기 프록스반응기는 선택적 산화 반응이 이루어질 수 있는 온도보다 낮은 온도에 있다. 즉, 초기 운전시 시스템 냉각수의 온도는 상온으로서 선택적 산화 반응을 위하여 약 50~60℃ 이상 온도를 상승시켜야만 한다.

그런데, 현재 스택 냉각수의 일부를 프록스반응기의 냉각수로 사용하고 있으므로 운전 초기 프록스반응기의 온도를 높이기 위해서는 스택 냉각수의 온도를 높여야 하는데, 이는 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 에너지 손실량이 큰 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 도시된 바와 같이 프록스반응기의 내부 즉, 상기 하우 징(10)의 내부 중앙에 히터(110)를 설치하여 초기 가동시 반응기 내부 온도를 보다 신속하게 상승시킬 수 있다.

따라서 촉매를 보다 빨리 활성화시켜 CO 제거 반응이 신속하게 이루어짐으로써 스택에 개질가스를 보다 빨리 공급할 수 있게 되어 연료전지 시스템의 시동시간이 단축되는 장점이 있다.

이후, 프록스반응기 온도가 충분히 상승한 이후에는 상기 히터(110)의 작동을 정지(off)시킨다.

한편, 상기 히터(110)는 하우징(10) 내부의 중앙 부분 즉, 상기 반응관(40)들로 둘러싸인 내측의 빈 공간에 설치되는 것이므로 히터(110)의 추가 설치에 의하여 프록스반응기 자체의 크기에는 아무 변화가 없다.

즉, 내부 빈공간을 활용하여 설치되는 것이므로 장치의 공간활용성이 향상되며, 장치의 크기를 증가시키지 않고, 컴팩트한 장치를 구성할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 프록스반응기의 외형 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 프록스반응기의 내부 단면도,

도 3의 (a)는 가이드링의 평면도, (b)는 도 2의 A-A선 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 하우징 11 : 냉각수유입관

12 : 냉각수배출관 20 : 상부커버

21 : 반응가스유입관 30 : 하부커버

31 : 반응가스배출관 40 : 반응관

41 : 촉매 50 : 상부지지플레이트

60 : 하부지지플레이트 51,61 : 연통공

70 : 상부타공판 80 : 하부타공판

71,81 : 구멍 90 : 가이드링

91 : 확산공간 100 : 그물망

110 : 히터

Claims (6)

1. 냉각수유입관과 냉각수배출관이 구비된 하우징과;

   상기 하우징의 상부를 차단하고 반응가스유입관이 구비된 상부커버와;

   상기 하우징의 하부를 차단하고 반응가스배출관이 구비된 하부커버와;

   상기 하우징의 상단과 하단에 설치된 상부지지플레이트와 하부지지플레이트;

   상기 상부지지플레이트와 하부지지플레이트의 연통공에 연통되도록 설치되고, 내부에 선택적 산화 반응을 위한 촉매가 충진된 반응관들을 포함하는 연료전지용 프록스반응기.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 반응관들의 상부와 하부에 상기 촉매의 이탈을 막아주는 상부타공판과 하부타공판이 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프록스반응기.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 하우징의 상단에 가이드링이 설치되어, 상기 상부커버와 상부타공판의 사이에 반응가스 확산공간이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프록스반응기.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 하부커버가 원추형으로 형성되고, 그 중앙에 상기 반응가스배출관이 형 성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프록스반응기.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 하부지지플레이트와 하부타공판의 사이에 그물망이 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프록스반응기.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 하우징의 내부 중앙에 히터가 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프록스반응기.

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