KR101060065B1 - Ｍｃｆｃ용 스택 직결형 촉매연소장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MCFC(molten carbonate fuel cell)용 스택 직결형 촉매연소장치에 관한 것으로, 그 목적은 기존 MCFC용 촉매연소장치에서 드러난 혼합기의 구조적 문제점 및 고온의 혼합가스 연소 하에서의 촉매 장기성능 향상에 관한 기술적 문제점을 보완하기 위해 새로운 개념의 혼합장치 구조를 구비하여 MCFC 내부개질용으로 최적화된 촉매연소장치를 제공함에 있다.
본 발명의 구성은 연료전지 스택의 양극(anode) 측에서 배출되는 혼합가스와 외부로부터 공급되는 공기를 혼합후 연소시키는 MCFC용 촉매연소 장치에 있어서, 양극(anode)측 출구의 혼합가스와 공기가 별도로 분리되어 공급되는 유로를 가지는 가스공급구간부와; 상기 공급된 혼합가스와 공기가 벤츄리 믹서 기능과 로브 믹서 기능을 혼합한 형태를 갖는 혼합장치가 설치되어 균일하게 혼합되도록 한 혼합구간부와; 혼합구간부에서 1차 혼합되어진 혼합가스와 공기를 완전하게 균일한 유동장으로 촉매층으로 공급할 수 있도록 확산 구조의 관 형태로 이루어진 2차 혼합 확산구간부와; 2차 혼합 확산구간부를 지난 농도가 균일하고, 유동분포도 균일한 혼합가스를 완전 연소시키는 연소용 촉매층이 설치된 촉매연소구간부로;로 구성되어 양극(anode)출구와 음극(cathode)입구 사이에 스택 직결형 방식으로 설치된 것을 특징으로 한다.
촉매 연소장치(catalytic combustor), MCFC(molten carbonate fuel cell), 혼합기(mixer), 혼합가스

Description

ＭＣＦＣ용 스택 직결형 촉매연소장치{Catalytic combustor for molten carbonate fuel cell(MCFC)}
본 발명은 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치에 관한 것으로, 자세하게 설명하자면 MCFC(molten carbonate fuel cell) 시스템에서는 개질반응에 의해 양극(anode)출구 측에서 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기 등의 혼합가스가 발생된다. 이러한 혼합가스 중에서 수소와 일산화탄소는 양질의 가연성 가스로서 이를 회수하여 공정에 필요한 열원으로 활용하면 상당량의 시스템 에너지 절감 효과를 기대할 수 있으므로 MCFC(molten carbonate fuel cell)의 양극(anode) 출구 측에서 발생되는 혼합가스에 존재하는 양질의 가연성 가스들을 완전 연소시키고, 이때 발생되는 열을 회수하여, 음극(cathode) 입구 측에 공급되는 공기의 가열 열원으로 이용하기 위해 필요한 촉매연소장치에 관한 것이다.
MCFC용 촉매연소장치 기술은 일본과 미국 등의 선진국에서 이미 개발이 진행중에 있다.
대표적으로 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 제품을 확보할 수 없는 상황이다.
다음으로 미국의 FCE사에서는 내부개질형 MCFC를 개발하고 있으며, 250kW를 단위모듈로 한 제품을 상용화하여 미국을 비롯한 세계 각국에 보급하고 있다. FCE사의 촉매연소기는 양극(anode) 측의 출구가스와 음극(cathode) 측에서 필요한 공기를 혼합하여 촉매층에 공급하고, 혼합가스 중의 가연성 가스가 촉매층에서 소각되면서, 이때 발생된 열은 공급된 상온의 공기를 예열시키는 데 이용하고 있다. 촉매연소기의 출구가스는 음극(cathode)의 입구측에 곧바로 공급되는 방식이며, 따라서 연소가스는 음극(cathode) 입구측 온도 조건인 550~600 ℃에 맞게 조절되고 있다.
FCE사에서는 특허 US6,902,840에서 양극(anode)측에서 배출되는 혼합가스를 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, 양극(anode) 측에서 배출되는 혼합가스는 자연적으로 흡입되는 구조이다. 이로 인하여 스택의 양극(anode)측과 음극(cathode)측의 압력차를 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 여전히 혼합기(mixer)는 단순한 벤츄리 타입을 사용함으로 인하여 양극(anode)측 혼합가스와 공기와의 균일한 혼합 성능에 있어서는 개선되어야 할 점을 가지고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기존 MCFC용 촉매연소장치에서 드러난 혼합기의 구조적 문제점 및 고온의 혼합가스 연소 하에서의 촉매 장기성능 향상에 관한 기술적 문제점을 보완하기 위해 새로운 개념의 혼합장치 구조를 구비하여 MCFC 내부개질용으로 최적화된 촉매연소장치를 제공함에 있다.
구체적인 본 발명의 목적은 공급된 혼합가스와 공기가 벤츄리 믹서 기능과 로브 믹서 기능을 혼합한 혼합장치를 포함하는 MCFC용 촉매연소 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 연료전지 스택의 양극(anode) 측에서 배출되는 혼합가스와 외부로부터 공급되는 공기를 혼합후 연소시키는 MCFC용 촉매연소 장치에 있어서,
양극(anode)측 출구의 혼합가스와 공기가 별도로 분리되어 공급되는 유로를 가지는 가스공급구간부와;
상기 공급된 혼합가스와 공기가 균일하게 혼합되도록, 중심부는 혼합가스가 통과하도록 뚫려 있고 바깥쪽은 공기가 통과하도록 다수의 기어산이 배열된 기어 모양의 구조로 형성된 혼합장치를 설치하여 벤츄리 믹서 기능과 로브 믹서 기능을 혼합 제공하는 혼합구간부와;
혼합구간부에서 1차 혼합되어진 혼합가스와 공기를 완전하게 균일한 유동장으로 촉매층으로 공급할 수 있도록 확산 구조의 관 형태로 이루어진 2차 혼합 확산 구간부와;
2차 혼합 확산구간부를 지난 농도가 균일하고, 유동분포도 균일한 혼합가스를 완전 연소시키는 연소용 촉매층이 설치된 촉매연소구간부로;로 구성되어 양극(anode)출구와 음극(cathode)입구 사이에 스택 직결형 방식으로 설치된 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치를 제공함으로써 달성된다.
삭제
상기 기어산의 각도는 유체 흐름방향(축방향)에서 회전방향으로 최소 0도 보다 크고 최대 15도로 하여 선회를 부가하도록 구성한 것을 특징으로 한다.
상기 촉매연소 구간부에 설치된 촉매층은 세라믹 또는 금속재질의 다공성 구조를 갖는 하니컴 또는 폼구조체로 이루어지고, 그 외형은 사각 또는 원형의 프레임에 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 세라믹 또는 금속재질의 다공성 구조를 갖는 하니컴 또는 폼구조체에 코팅되는 촉매는 귀금속 촉매인 백금(Pt)을 기본으로 하되, 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기로 이루어진 혼합가스의 성분에 따라 팔라듐이 백금(Pd)에 대하여 첨가된 이원촉매를 사용하고, 코팅량은 0.5-2.0 wt%인 것을 특징으로 한다.
상기 이원촉매간의 조성비율은 백금에 대한 팔라듐의 성분이 10 ~ 50wt%인 것을 특징으로 한다.
상기 확산구간부(4)의 확산 구조가 가지는 각도(α)는 10 ~ 30도인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 MCFC의 핵심 주변기술(BOP)인 양극(anode)측 출구의 혼합가스의 촉매연소기술의 해결 및 내부개질용 MCFC의 촉매연소장치의 독자 기술을 확보함으로써, 기존 제품에 대한 기술 경쟁력 및 수출 경쟁력에서 우위를 확보할 수 있을 것으로 판단되며, 특히 본 발명에서 제시된 핵심 기술인 혼합장치는 독창적인 구조로 혼합도가 매우 우수하므로, 균일한 혼합가스를 얻고자 하는 기타 분야에도 응용이 가능한 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.
본 발명에서는 양극(anode) 측에서 배출되는 혼합가스와 공기를 균일하게 혼합하여 촉매연소하기 위한 혼합기(Mixer)를 개발하였다. 혼합기의 형태는 양극(anode) 측에서 배출되는 혼합가스에 압력이 부가되지 않고 촉매연소기로 흡입되도록 하는 벤츄리 믹서 기능과 혼합가스와 공기가 최단 시간에 효과적으로 혼합되도록 하는 로브 믹서(lobe mixer) 기능을 조합한 독창적 구조의 혼합기를 개발하였다. 벤츄리 믹서와 로브 믹서가 조합된 혼합기의 최적 설계 및 성능평가는 먼저 수치해석에 의한 속도, 혼합도 및 온도분포 해석을 통해 확보하였다. 이어서 혼합기를 제작하여 실험을 통하여 혼합가스의 압력 손실, 농도분포 등의 측정을 통해 실질적으로 검증하였다. 마지막으로 촉매연소기의 정상 운전조건에서 촉매연소 실험을 통해 상기 목적에 맞는 MCFC용 촉매연소기를 개발하였다.
이하 본 발명의 실시 예인 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 촉매연소장치의 개략도와 장착된 촉매층의 구조도이고, 도 2는 본 발명에 따른 MCFC용 촉매연소장치의 혼합장치에 대한 상세도 및 실제 제작된 혼합장치를 보인 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 촉매 연소 시험 장치에 대한 전체 공정도이고, 도 4는 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 촉매연소 시험 결과 각 부분별 온도분포를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 촉매연소 시험 결과 공급되는 수소량에 따른 촉매연소의 실제 전경을 나타 낸 사진이다.
먼저 도 1은 본 발명에 따른 MCFC용 촉매연소장치의 개략도와 장착된 촉매층의 구조도인데, 도시된 바와 같이 본 발명은 양극(anode) 측에서 배출되는 혼합가스와 외부에서 공급되는 공기를 균일하게 완전 혼합할 수 있는 독창적인 구조의 혼합장치를 수반하는 내부개질형 MCFC용 촉매연소장치(1)이다. 이를 위하여 본 발명의 내부개질형 MCFC용 촉매연소장치(1)는 크게 가스공급 구간부(2)와, 혼합 구간부(3), 2차혼합확산 구간부(4), 그리고 촉매연소 구간부(5)로 구분되는 MCFC용 촉매연소장치(1)를 구성하였다.
구체적으로 본 발명의 구성을 설명하면 양극(anode) 출구 쪽에 연결되어 유입되는 혼합가스(22)와 별도의 송풍기를 통하여 공급되는 공기(21)가 각각의 유로로 공급되는 가스공급구간부(2)와; 상기 공급된 혼합가스(22)와 공기(21)가 벤츄리 믹서와 로브 믹서의 기능을 조합하도록 형성된 독특한 형태를 갖는 혼합장치(31)가 설치되어 완전, 균일 혼합되어지도록 형성된 혼합구간부(3)와; 1차 혼합된 혼합가스(22)와 공기(21)를 완전하게 균일한 유동장으로 촉매층으로 공급할 수 있도록 하기 위해 확산 구조의 관으로 이루어진 2차혼합 확산구간부(4)와; 혼합가스의 농도가 균일하고, 유동분포도 균일한 혼합가스를 완전연소시키기 위해 고안된 촉매층(51)으로 구성된 촉매연소구간부(5);으로 구성되며, 촉매층에서 연소를 마친 혼합가스는 스택의 음극(cathode) 입구 측에 바로 유입되도록 구성하였다.
상기 가스공급구간부(2), 혼합구간부(3), 2차혼합 확산구간부(4), 촉매연소구간부(5)간의 연결은 용접등의 방법을 포함한 통상의 연결하여 한몸체를 이루도록 구성한다.
상기에서 혼합장치가 벤츄리 믹서기능를 가지는 이유는 유동의 방향이 같은 축 선상에 있고, 각각의 면적비가 달라 압력차가 생겨 벤츄리 혼합구조를 갖게 되고, 로브 믹서기능을 가지는 이유는 기어와 스크류 모양의 구조 때문이다.
상기 확산구간부(4)의 확산 구조가 가지는 각도(α)는 10~30도 사이이다. 수치한정 이유는 이와 같은 각도에서 완전하게 균일한 유동장으로 촉매층으로 공급하는 반응을 얻게 되기 때문이다.
이하 보다 상세히 본 발명의 구성을 설명한다.
본 발명의 혼합장치(31)에 의한 혼합방식에 있어서, 혼합장치(31)는 중심부가 관통되어 있고, 외곽 부분이 기어 모양으로 가공되어 중심부를 통과하는 혼합가스와 기어 모양의 바깥쪽을 통과하는 공기가 벤튜리 믹서 기능과 로브 믹서 기능에 의해서 양극(anode)측에 흡입 압력을 발생시킴과 동시에 혼합가스와 공기가 최단 시간에 완전 혼합될 수 있도록 구성된 것으로, 본 발명에서는 양극(anode)측에서 유입되는 혼합가스(22)는 혼합장치(31)의 중심부를 통과하고, 외부로부터 공급되는 공기(21)는 기어 모양의 바깥쪽으로 유입되면서 1차 혼합되고, 확산 구조를 갖는 유로에서 2차 완전 혼합되는 원리를 특징으로 한다. 이때 공기가 기어산과 기어산 사이의 골을 통과하도록 기어 모양의 전단부는 막혀 있도록 구성한다.
가스공급구간부(2)에서는 양극(anode)측으로부터 배출되는 혼합가스(22)와 외부로부터 공급되는 공기(21)는 혼합장치(31)에 도달하기 전까지는 유로를 구분되어 공급되어진다. 이때 혼합가스(22)는 MCFC 스택의 양극(anode) 측에서 배출되는 혼합가스가 내부 유로를 통해 공급되며, 공기(21)는 외부에 설치된 송풍기(61; 도 3 참조)에 의해 정량 공급된다.
양극(anode) 측의 혼합가스(22)는 주성분이 수소, 이산화탄소, 수증기, 일산화탄소로 구성되는데, 이중에 수소와 일산화탄소는 양질의 가연성 연료로 다시 사용될 수 있다. 이렇게 공급된 혼합가스(22)와 공기(21)는 혼합장치(31)를 통과하여 2차확산 구간부(4)로 초기 유입되기 직전까지 혼합되지 않고 독립적으로 흐른다.
혼합장치(31)는 중심부가 관통되어 있고, 외곽 부분이 기어 모양으로 가공되어 중심부를 통과하는 가스와 기어 모양의 바깥쪽을 통과하는 가스가 벤튜리 믹서 기능과 로브 믹서 기능의 조합 형태를 보이면서 완전 혼합될 수 있도록 구성된 것으로, 본 발명에서는 양극(anode)에서 공급된 혼합가스(22)는 혼합장치(31)의 중심부를 통과하고, 공기(21)는 기어 모양의 바깥쪽으로 유입되면서 1차 혼합될 수 있도록 설계되었다.
도 2에서는 상기와 같은 원리를 갖는 본 발명에 따른 MCFC용 촉매연소장치의 혼합장치(31)에 대한 상세도 및 실제 제작된 혼합장치의 전경을 나타낸다.
도시된 바와 같이 혼합장치(31)는 외부가 기어 모양으로 가공되어 있는 것을 확인할 수 있는데, 기어의 높이와 개수는 벤츄리 믹서 기능에 맞추어 공기(21)의 고속 흐름에 의하여 혼합가스(22) 라인에 흡입압력이 발생하도록 하고 동시에 로브 믹서 기능에 맞추어 혼합가스(22)와 공기(21)가 효과적으로 혼합되도록 선정하게 된다.
또한 기어 산(32)의 형태는 축방향으로 각도(β)가 최소 0도보다 크고 최대 15도까지 편심되게 하여 혼합장치의 흐름 중에 선회 기능을 부가할 수 있다. 즉, 헬리컬 기어와 같은 나선형 원통기어 형태를 가진다. 상한치를 15도로 한정한 이유는 지나치게 이 각도가 크면 혼합가스 유동의 선속도 방향이 지나치게 좌,우로 흔들려 촉매연소에 부적합한 유동장이 형성될 수 있기 때문이다.
상기의 혼합장치(31)를 통과한 혼합가스(22)와 공기(21)는 2차혼합확산구간부(4)에 유입되면서 초기 1차혼합이 진행된다. 그러므로 1차혼합이 시작되는 혼합장치(31) 끝단에서의 혼합도는 만족할 정도의 균일 혼합을 기대하기 힘들며, 공기(21)에 대한 혼합가스(22) 농도가 중심부에 가장 크며, 관 외부에서 가장 작은 분포를 갖게 된다. 그러나 2차혼합확산구간부(4)를 진행하면서 혼합도는 점차적으로 향상되다가 촉매연소구간부(5)에 가까워질 수록 균일한 혼합도를 유지하게 된다.
혼합가스(22)와 공기(21)는 2차혼합확산구간부(4)를 통과하면서 그 혼합도가 크게 향상되는데, 이렇게 균일하게 혼합된 가스는 촉매층(51)이 장착된 촉매연소구 간부(5)를 통과하면서 혼합가스(22) 중에 포함된 가연성 가스들(수소, 일산화탄소)이 완전 연소된다.
본 발명에서 사용된 촉매층(51)의 형태는 도 1에서 도시된 것과 같이 하니컴 구조나 폼 구조를 갖는 다공성 촉매층이 사각 또는 원형의 외형을 가지는 프레임에 설치되도록 하며, 재질도 금속과 세라믹 재질을 모두 사용할 수 있는 것을 특징으로 한다.
촉매층에 사용되는 촉매로는 수소와 일산화탄소의 산화반응에 탁월한 성능을 발휘하는 귀금속 촉매인 백금(Pt) 촉매를 기본으로 하며, 혼합가스의 성분에 따라 팔라듐(Pd)이 부분적으로 첨가된 이원촉매를 사용할 수 있도록 하였다. 이원촉매일 경우 백금에 대한 팔라듐의 함유량은 10 ~ 50wt%로 한다. 수치한정의 이유는 10 보다 적으면 효과가 미미하여 첨가 의미가 없고, 50보다 크면 백금촉매의 성능을 떨어뜨리기 때문이다.
세라믹 하니컴이나 금속 지지체에 대한 촉매의 담지량은 0.5~ 2 wt%로 하였다. 이와 같이 수치 한정한 이유는 촉매량이 상한치보다 너무 많으면 단가가 많이 올라갈 뿐 아니라, 반응성이 너무 좋아져 오히려 나쁜 영향을 미치기 때문이고, 반대로 촉매량이 너무 적으면 활성이 너무 나빠 미연소되는 현상이 발생할 수 있기때문이다. 따라서 상기 범위가 본 발명에서는 가장 적합하다.
도 3은 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 하나의 실시예로서 촉매연소 시험을 위해 제작된 장치에 대한 전체 공정도를 나타낸다.
촉매연소 시험 장치에서는 실제 운전되는 MCFC 시스템의 양극(anode)측에서 배출되는 혼합가스와 동일 조건으로, 수소(74), 일산화탄소(75), 이산화탄소(76) 가스가 각각 공급되며, 각각의 가스는 유량계(77~79)에 의해 제어되도록 설계되었다. 이때 이산화탄소(76)는 액체 이산화탄소(76)를 사용하여 가열식 기화기(80)에 의해 기화시켜 공급하는 방식을 채택하였다. 상기와 같이 각각 공급된 가스는 스태틱 믹서(static mixer, 67)에 의해 완전 혼합되며, 유량계(65)에 의해 최종 제어된다. 이렇게 공급된 혼합가스(22)는 제1열교환기(84)에 의해 온도가 최대 600도까지 가열되어 최종 촉매연소 장치(1)로 공급된다. 제1열교환기(84)의 열교환을 위해 필요한 열은 버너(83)에 의해 발생되는데, 버너(83)는 공기가 자동 공급되는 LPG(81)를 연료로 사용하는 버너를 사용하였다. 또한 양극(anode) 측 혼합가스 중 수증기 성분은 별도로 과열 증기 보일러(89)를 사용하여 공급하였다. 공기는 공기 송풍기(61)에 의해 공급되고, 유량계(64)에 의해 제어되는데, 촉매연소장치(1)로 최종 공급되는 공기의 온도 조건을 유지하기 위해 제2열교환기(85)가 설치되었다. 제2열교환기(85)에 필요한 열은 버너(83)에서 바이패스(by-pass)되는 열량과 제1열교환기(84)에서 남은 열량으로 공급하였다.
상기와 같이 공급된 각각의 가스와 공기들은 최종적으로 밸브(68)들에 의해 제어되며, 촉매연소장치(1)의 촉매층(51)에서 연소되는 상황은 촉매층과 평행하게 설치된 관측창(86)에 의해 관찰하였다.
도 3에서 미설명 부호 66은 압력계이고, 69는 샘플링구멍이고, 87은 보일러 용 LPG이고, 88은 보일러용 LPG 유량계이고, 90은 물 유량계이고, 91은 열전대이다.(열전대는 도면에서 점으로 표시된 다수개임)
도 4는 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 하나의 실시 예로서, 촉매연소 시험 결과, 시스템의 각 부분별 온도분포를 나타낸다.
도면에서 X축의 "1" 단계는 이산화탄소만 18 m3/h 공급하면서 운전하였을 경우의 온도 분포를 나타낸다. 이 상태에서 스팀은 아직 공급되지 않기 때문에 상온으로 측정되었다. 공기 입구측(제2열교환기 출구)의 온도는 150도 내외, anode 혼합가스 입구측(제1열교환기 출구)의 온도는 550도 내외, 촉매층 전단 및 후단의 온도는 각각 270도와 250도로 나타났다.
이 상태에서 보일러용 버너(89)를 작동하였을 경우 "2"단계, 증기 보일러 측의 온도가 600도에 가까운 온도를 나타낸 것으로 확인되었다.
"3"단계에서 가연성 가스인 수소와 일산화탄소 각각 3.8 m3/h와 1.8 m3/h 공급해 주었을 경우, 촉매층 후단의 온도가 전단 온도보다 급격히 증가하여 550도에 가까운 온도 분포를 나타낸 것으로 측정되었다. 이러한 온도는 anode 측으로부터 공급되어진 혼합가스(22)의 온도와 비슷한 수준이다.
다시 수소 양만 4.0 ~ 4.5 m3/h로 증가시켰을 경우 "4"단계로서, 촉매층 후단의 온도는 더 증가하여 650도를 나타내었다.
도 5는 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 하나의 실시예로서, 촉매연소 시험 결과 공급되는 수소량에 따른 촉매연소의 실제 전경을 나타낸다.
도 5에서 (a)와 (b)는 각각 수소의 량이 2.0, 3.8 m3/h일 경우에 대한 결과로서, 양극(anode) 측의 나머지 가스인 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기와 공기의 량은 각각 18 m3/h, 1.8 m3/h, 1.6 m3/h, 100 m3/h로 같았다. 그림에서 가연성 가스의 촉매연소가 두 조건 모두에서 균일하게 발생하고 있는 것이 확인되었으며, 수소의 량에 따라 촉매연소에 의해 발열되는 정도의 차이를 확인할 수 있다.
또한 촉매연소를 통하여 연소된 혼합가스를 분석한 결과, 수소와 일산화탄소 성분은 완전히 소각되어 전혀 검출되지 않았으며, 이는 촉매연소기의 본래 목적에 따라, 양극(anode) 측에서 배출된 가연 성분이 촉매층에서 완전 소각되어, 그 열이 상온에서 공급되는 공기의 온도를 승온시키는 데 이용되는 것을 확인하였다.
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 촉매연소장치의 개략도와 장착된 촉매층의 구조도이고,
도 2는 본 발명에 따른 MCFC용 촉매연소장치의 혼합장치에 대한 상세도 및 실제 제작된 혼합장치를 보인 사시도이고,
도 3은 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 촉매 연소 시험 장치에 대한 전체 공정도이고,
도 4는 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 촉매연소 시험 결과 각 부분별 온도분포를 나타낸 그래프이고,
도 5는 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 촉매연소 시험 결과 공급되는 수소량에 따른 촉매연소의 실제 전경을 나타낸 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : MCFC용 촉매연소장치 (2) : 가스공급구간부
(3) : 혼합구간부 (4) : 2차혼합확산구간부
(5) : 촉매연소구간부 (21) : 공기
(22) : 혼합가스 (31) : 혼합장치
(32) : 기어 산 (52) : 프레임
(61) : 공기 공급용 송풍기 (64) : 공기 공급용 유량기
(65) : 혼합가스 공급용 유량기 (66) : 압력계
(67) : 스태틱 믹서(static mixer)
(68) : 밸브 (69) : 샘플링 구멍
(74) : 수소가스 (75) : 일산화탄소가스
(76) : 이산화탄소가스
(77, 78, 79) : 혼합가스 유량계(수소, 일산화탄소, 이산화탄소 순)
(80) : 이산화타소 기화기 (81) : 버너용 LPG
(82) : 버너용 LPG 유량계 (83) : 버너
(84) : 제 1열교환기 (85) : 제 2열교환기
(86) : 촉매연소 관측창 (87) : 보일러용 LPG
(88) : 보일러용 LPG 유량계 (89) : 증기 보일러
(90) : 물 유량계 (91) : 열전대

Claims (7)

  1. 연료전지 스택의 양극(anode) 측에서 배출되는 혼합가스와 외부로부터 공급되는 공기를 혼합후 연소시키는 MCFC용 촉매연소 장치에 있어서,
    양극(anode)측 출구의 혼합가스와 공기가 별도로 분리되어 공급되는 유로를 가지는 가스공급구간부와;
    상기 공급된 혼합가스와 공기가 균일하게 혼합되도록, 중심부는 혼합가스가 통과하도록 뚫려 있고 바깥쪽은 공기가 통과하도록 다수의 기어산이 배열된 기어 모양의 구조로 형성된 혼합장치를 설치하여 벤츄리 믹서 기능과 로브 믹서 기능을 혼합 제공하는 혼합구간부와;
    혼합구간부에서 1차 혼합되어진 혼합가스와 공기를 완전하게 균일한 유동장으로 촉매층으로 공급할 수 있도록 확산 구조의 관 형태로 이루어진 2차 혼합 확산구간부와;
    2차 혼합 확산구간부를 지난 농도가 균일하고, 유동분포도 균일한 혼합가스를 완전 연소시키는 연소용 촉매층이 설치된 촉매연소구간부로;로 구성되어 양극(anode)출구와 음극(cathode)입구 사이에 스택 직결형 방식으로 설치된 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기어산의 각도는 유체 흐름방향(축방향)에서 회전방향으로 최소 0도 보다 크고 최대 15도로 하여 선회를 부가하도록 구성한 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매연소 구간부에 설치된 촉매층은 세라믹 또는 금속재질의 다공성 구조를 갖는 하니컴 또는 폼구조체로 이루어지고, 그 외형은 사각 또는 원형의 프레임에 설치된 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 세라믹 또는 금속재질의 다공성 구조를 갖는 하니컴 또는 폼구조체에 코팅되는 촉매는 귀금속 촉매인 백금(Pt)을 기본으로 하되, 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기로 이루어진 혼합가스의 성분에 따라 팔라듐이 백금(Pd)에 대하여 첨가된 이원촉매를 사용하고, 코팅량은 0.5-2.0 wt%인 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 이원촉매간의 조성비율은 백금에 대한 팔라듐의 성분이 10 ~ 50wt%인 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 확산구간부(4)의 확산 구조가 가지는 각도(α)는 10 ~ 30도인 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매연소장치.
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