KR101089932B1 - 연료전지시스템의 연료변환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지시스템의 연료변환장치에 관한 것으로, 개질기의 중심으로 개질가스배출관로가 형성되고, 상기 개질기의 외주에 버너폐가스배출관로가 형성되며, 상기 버너폐가스배출관로의 하단부에 개질기의 외주 전체를 둘러싸는 환형 버너가 설치되고, 상기 개질가스배출관로의 상부에 개질가스열교환기가 연결되며, 상기 개질가스열교환기의 외측에 CO변성기가 설치되고, 상기 CO변성기의 외주면과 내주면을 경유하여 상기 개질가스열교환기에 연결되는 반응물예열기가 설치된다.

따라서, 개질촉매가 전체적으로 활성화되어 장치의 소형화에 유리하고, 개질 성능이 안정적으로 유지되어 개질촉매의 내구성이 향상되며, 별도의 제어로직을 사용하지 않고도 안정적인 운전이 가능하다.

연료변환장치, 연료변환기, 개질장치

Description

연료전지시스템의 연료변환장치{fuel processor of fuel cell system}

본 발명은 가정용 연료전지시스템의 연료변환장치에 관한 것으로, 특히 소형이면서 고효율을 달성하여 가정용 연료전지시스템에 적용하기 알맞은 연료전지시스템의 연료변환장치에 관한 것이다.

연료전지시스템의 연료변환장치는 연료가스를 수증기와 반응시켜 수소를 생성하는 개질기(reformer)와, 생성된 수소함유가스가 스택의 연료극으로 공급되었을 때 촉매에 피독을 일으키지 않도록 일산화탄소를 제거하는 CO변성기(shift converter) 및 CO제거기(remover)를 포함한다.

상기 개질기는 하이드로카본-수증기 개질반응(흡열반응)에 의해 수소를 생성하여 수소함유가스(개질가스)를 배출하고(CO함량 10~15%), 상기 CO변성기는 개질가스 중의 CO를 CO₂로 변성(발열반응)시킴과 더불어 수소를 추가 생성하며(CO함량 1% 이하), 상기 CO제거기는 선택적 산화반응(발열반응)에 의하여 CO 잔존량을 10ppm 이하까지 제거한다.

상기와 같이 CO가 제거된 연료가스가 스택의 연료극(anode)으로 공급되고, 공기극(cathode)으로는 공기(산소)가 공급되어 전해질막을 매개로 전기화학반응이 이루어져 전류가 생성되고, 부수적으로 물 및 열이 생성된다.

생성된 전류는 집전체(current collector)를 통해 집전되고 인버터에서 교류로 전환되어 부하에 공급되며, 발생된 열은 열교환기를 통해 온수로 저장되어 급탕 및 난방용으로 사용된다.

한편, 개질기의 형상이 돔형이고, 그 내부에 버너를 내장하고 있는 타입의 종래 연료변환장치는 그러한 구조 때문에 장치의 크기를 축소하는 것이 매우 곤란하였다.

또한, 연료전지시스템 전체의 효율 제고 측면에서 연료극에서 배출된 오프가스(수소함량 40~50%)를 버너로 공급하여 기존의 탄화수소계 연료와 혼합하여 연소시키고 있는데, 이 때문에 수소의 연소 특성상 화염의 온도가 감소되고 버너폐가스의 온도가 증가하여 개질촉매의 반응 효율이 감소된다.

따라서, 개질촉매의 반응 효율을 상승시키기 위해 버너에 추가 연료를 공급하였는 바, 이에 장치의 효율이 감소되는 문제점이 있었다.

또한, 상기 이유로 인하여 개질기 이후 부분 즉, CO변성기와 CO제거기의 온도조건이 변화되어 추가 제어로직이 요구되는 등 운전제어가 복잡해지는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 사항들을 감안하여 안출된 것으로, 버너에서 스택오프가스가 연소될 때에도 개질촉매가 전체적으로 활성화될 수 있게 되어 개질 성능이 안정적으로 유지됨으로써 소형화에 보다 유리하고, 개질촉매의 내구성이 향상되며, 이에 별도의 제어로직을 사용하지 않고도 안정적인 운전이 가능한 연료전지시스템의 연료변환장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중심을 상하로 관통하는 개질가스배출관로가 형성된 개질기와;

상기 개질기의 외주을 둘러싸는 버너폐가스배출관로와;

상기 버너폐가스배출관로의 하단부에 설치되고, 상기 개질기의 외주 전체를 둘러싸는 버너와;

상기 개질가스배출관로의 상부에 연결된 개질가스열교환기와;

상기 개질가스열교환기에 연결되고, 그 외측을 둘러싸는 CO변성기와;

상기 CO변성기의 외주면과 내주면을 경유하여 상기 개질가스열교환기에 연결되는 반응물예열기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 개질기의 상부와 하부에 각각 확산층이 형성되고,

상기 개질가스열교환기는 내측관로와 이를 둘러싼 외측관로로 이루어지며,

상기 개질가스열교환기의 외측관로와 상기 개질기의 상부 확산층이 연결되 고,

상기 개질기의 개질가스배출관로가 상기 개질가스열교환기의 내측관로와 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 CO변성기는 내측의 1차변성기와 외측의 2차변성기로 구성되고,

상기 1차변성기와 2차변성기의 상단에 각각 독립된 확산층이 형성되고, 하단에 상호 연결된 확산층이 형성되며,

상기 1차변성기의 상부 확산층이 상기 개질가스열교환기의 내측관로와 연결되고,

상기 2차변성기의 상부 확산층에 변성가스배출구가 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응물예열기는 상기 1차변성기의 내주면에 접한 내측관로와 상기 2차변성기의 외주면에 접한 외측관로의 하단이 연결되어 이루어지고,

상기 내측관로의 상단이 상기 개질가스열교환기의 외측관로에 연결되며,

상기 외측관로의 상단에 반응물공급구가 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 버너는 화염 형성부가 금속섬유로 이루어지고,

상기 화염 형성부로 공기와 연료가 예혼합되어 공급되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 버너는 상부에 동일한 간격으로 토출공들이 형성된 내측환형관과 외측환형관으로 이루어지고,

상기 내측환형관에 공기가 공급되며,

상기 외측환형관에 연료가스가 공급되는 구성으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 버너폐가스배출관로의 외측에 물증발기가 설치되고,

상기 물증발기는 상기 버너폐가스배출관로의 버너폐가스배출구에 상단이 연결된 버너폐가스관로와,

상기 버너폐가스관로의 외주면에 접하고, 자신의 외주면 하단과 상단에 각각 물공급구와 물배출구가 형성된 물관로로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응물예열기의 외측관로에 접하여 CO제거기가 설치되고, 상기 CO제거기의 변성가스유입구와 CO변성기의 변성가스배출구가 연결되고, 상기 변성가스유입구에 공기공급구가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 물증발기의 하부에, 상기 물증발기의 버너폐가스관로에 연결되는 중앙의 버너폐가스관로와, 그 버너폐가스관로의 내/외측에 각각 접하는 스택오프가스관로 및 연소반응물관로로 이루어진 3중관열교환기가 설치되고,

상기 스택오프가스관로와 연소반응물관로는 버너에 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 CO변성기로부터 배출되는 CO변성가스와 외부로부터 공급된 물을 열교환시켜 물증발기로 공급하는 물예열기가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따른 연료변환장치는,

버너의 내측에 개질기가 배치되고, 개질기의 내부를 관통하여 개질가스배출통로(열회수층)가 형성됨으로써 장치를 소형화할 수 있게 된다.

또한, 연소촉매가 구비되어 버너폐가스 내 유해물질이 제거되고 버너폐가스의 폐열 회수량이 증가된다. 따라서, 개질촉매가 전체적으로 활성화될 수 있는 충분한 온도를 확보하게 된다.

또한, 버너폐가스의 폐열을 이용하여 반응물 중 물을 가열하여 증기화함으로써 물의 별도 가열을 위한 에너지 소비량이 절감되고, 버너에 공급되는 연료와 공기 및 스택오프가스를 예열함으로써 버너의 효율이 증대되어 전체 시스템의 효율이 향상된다.

상기와 같이 버너폐가스의 폐열 회수량과 버너 효율이 증가되어 버너에 별도의 추가 연료를 공급하지 않고도 개질촉매의 효율 감소 현상을 방지할 수 있게 됨으로써 장치의 효율이 향상된다.

또한, 고열부인 버너폐가스 배출경로와 발열반응기인 CO변성기가 분리 배치됨으로써 CO변성기가 과열되는 것이 방지되고, 이에 CO변성기의 운전 온도 유지를 위한 수증기 공급량이 감소됨으로써 수증기/탄소 비를 낮게 유지할 수 있게 된다. 즉, 수증기 공급을 위한 에너지 소비량이 감소됨으로써 연료변환장치의 효율이 향상된다.

또한, 공급반응물과 발열 반응기인 CO제거기가 열교환함으로써 반응물의 예열이 이루어지고, CO제거기는 팬(fan)과 같은 별도의 냉각장치 없이 적정 온도를 유지할 수 있게 되는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료변환장치의 단면도이다.

본 발명에 따른 연료변환장치는 원통형 연료변환장치로서 개질기 및 CO변성기 역시 원통형으로 형성되어 각각 장치의 하부와 상부에 분리 배치된다.

개질기(10)는 장치 하부의 중앙에 배치되고, 내부에 개질촉매가 내장되며, 자신의 중심을 상하로 관통하는 개질가스배출관로(11)가 구비된다.

개질기(10)의 상부와 하부에는 각각 확산층(12,13)이 형성된다. 그 중 상부의 확산층(12)은 연결관로(C1)를 매개로 개질가스열교환기(40)의 외측관로(42)에 연결되고, 하부의 확산층(13)은 개질기(10)의 개질촉매와 개질가스배출관로(11)의 하단을 연결하는 공간 역할을 한다.

상기 개질기(10)의 외측에는 이를 둘러싸는 원통형의 버너폐가스배출관로(20)가 설치되고, 그 하단부에 상기 개질기(10)의 외주 전체를 둘러싸는 환형(環形) 버너(30)가 설치되며, 상단에는 장치 외부로 연통되는 버너폐가스배출구(21)가 설치된다.

상기 버너(30)는 장치 외부로부터 스택 연료와 동일한 탄화수소계 연료(예를 들어, 천연가스(NG)) 및 스택오프가스(정확히는 연료극(anode) 오프가스이고, 수소 함량 40~50%임)와 공기를 공급 받아 이를 연소시켜 개질기(10)의 개질반응에 필요한 열을 제공한다.

한편, 상기 개질가스열교환기(40)는 내측관로(41)와 이를 둘러싸는 외측관로(42)로 이루어져 있으며, 상기 내측관로(41)가 상기 개질가스배출관로(11)에 연결되고, 외측관로(42)는 하단부가 전술한 바와 같이 연결관로(C1)를 매개로 상기 개질기(10)의 상부 확산층(12)에 연결된다.

상기 개질가스열교환기(40)의 외측에는 원통형 CO변성기(50)가 설치되며, 상기 CO변성기(50)의 외주면과 내주면을 거쳐 반응물예열기(60)가 설치된다.

상기 CO변성기(50)는 내측의 1차변성기(51)와 외측의 2차변성기(52)로 분할 구성된다.

상기 1차변성기(51)와 2차변성기(52)의 상단은 상호 차단되어 각각의 확산층(53,54)이 형성되고, 하단은 상호 연결되어 하나의 공간을 이루는 확산층(55)이 형성된다.

상기 1차변성기(51)의 상부 확산층(53)에 상기 개질가스열교환기(40)의 내측관로(41)와 연결된 연결관로(C2)가 연결되고, 상기 2차변성기(52)의 상부 확산층(54)에 변성가스배출구(56)가 설치된다.

상기 반응물예열기(60)는 상기 CO변성기(50)의 1차변성기(51) 내주면에 접한 내측관로(61)와 2차변성기(52) 외주면에 접한 외측관로(62)로 이루어져 있으며, 상기 내측관로(61)와 외측관로(62)는 양자의 하단이 상호 연결되어 있다.

상기 외측관로(62)의 일측 상단에는 탄화수소계 연료가스(이하, 버너의 연료가스와 구별하여 반응가스라 칭함), 예를 들어 천연가스(NG)와, 수증기(H₂O)가 유입되는 반응물공급구(63)가 설치되고, 상기 내측관로(61)의 상단은 연결관로(C3)를 매개로 상기 개질가스열교환기(40)의 외측관로(42)에 연결된다.

상기 버너(30)는 개질기(10)의 하단 외주부를 전체적으로 둘러쌀 수 있도록 도 2에 도시된 바와 같이 환형 형상을 가진다.

이러한 환형 버너(30)는 금속섬유(metal fiber)를 이용하여 환형의 화염 형성부(30a)를 제작함으로써 제공된다. 이미 금속섬유로 이루어진 다양한 형상의 화염 형성부(30a)를 가진 버너가 양산되고 있다.

이 종류의 버너는 공기와 연료를 예혼합하여 공급함으로써 금속섬유의 표면에 화염을 형성시키는데, 따라서 그 화염은 길이가 짧고(높이가 낮고) 넓은 면적으로 퍼지는 형상을 갖는다.

또한, 상기 버너(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 환형관으로 구성될 수 있다. 상기 환형관은 내측환형관(31)과 외측환형관(32)으로 이루어진다.

상기 내측환형관(31)과 외측환형관(32)은 개질기(10)의 외주 하단부 즉, 상기 버너폐가스배출관로(20)의 하단부에 설치되며, 상기 내측환형관(31)에 공기가 공급되고 외측환형관(32)에 연료가 공급된다.

상기 내측환형관(31)과 외측환형관(32)의 상부에는 원주 방향을 따라 동일한 간격으로 조밀하게 다수의 토출공들이 형성되어 있어서, 그 토출공들을 통해 연료가스와 공기가 토출되어 연소됨으로써 화염을 형성할 수 있도록 되어 있다. 이 경우에도 다수의 토출공을 통해 화염이 분할 형성되므로 길이가 짧은 화염을 형성할 수 있게 된다.

한편, 스택오프가스가 버너로 공급되면 스택오프가스에 포함된 불활성가스(CO₂, N₂)에 의해 버너의 화염의 크기가 커지고 버너폐가스 열량이 증가되는데, 상기 버너폐가스배출관로(20)는 개질기(10)로 보다 많은 열량이 전달될 수 있도록 하부에는 화염형성공간이 충분히 확보되도록 하고 상부에는 백금(Pt)이 담지된 허니컴 형태의 연소촉매(21)가 설치된다.

상기 연소촉매(21)에 의해 버너폐가스의 열전달 면적이 증대되고, 연소촉매(21)가 전도체로서 작용하므로 버너폐가스로부터 개질기(10)로의 열전달량이 증대된다.

따라서 개질기(10) 전체에 열량이 고르게 전달되어 개질촉매 전체에서 개질반응이 원활히 진행될 수 있게 된다.

또한, 상기 연소촉매(21)에 의해 버너폐가스에 포함된 CO, NO_x 등의 유해물질이 제거된다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 연료변환장치의 전반적인 작동에 대해 살펴본다.

반응물공급구(63)로 공급된 반응가스와 수증기는 반응물예열기(60)의 외측관로(62)와 내측관로(61)를 순차적으로 통과하면서 CO변성기(50)의 2차변성기(52)와 1차변성기(51)로부터 열을 받아 예열된다. 이때 상기 1차변성기(51)와 2차변성기(52) 내부의 가스흐름과 상기 반응물예열기(60)의 내측관로(61)와 외측관로(62) 내부의 가스흐름은 상호 역류 관계에 있다.

이어 반응가스는 연결관로(C3)를 통해 개질가스열교환기(40)의 외측관로(42) 로 유입되어 하방으로 흐르게 되고, 이때 그 내부의 내측관로(41)에는 고온의 개질가스가 상방으로 흐름으로써 개질가스로부터 열을 전달 받아 반응가스는 개질기(10)로 유입되기 전에 충분한 온도로 예열된다.

이어 예열된 반응가스는 연결관로(C1)를 통해 개질기(10)의 상부 확산층(12)으로 유입되어 확산되며, 그 결과 개질촉매의 상단부 전체로 고르게 유입된다. 반응가스는 개질촉매를 하방으로 통과하면서 개질반응에 의해 개질되며, 생성된 개질가스는 하부의 확산층(13)을 거쳐 그 중앙의 개질가스배출관로(11)를 통해 상향 배출된다.

따라서, 개질기(10)를 통과하는 반응가스와 개질가스배출관로(11)를 통과하는 개질가스는 상호 역류 관계를 이루어 활발한 열교환이 이루어지며, 이때 개질가스의 열이 개질촉매로 전달되어 폐열의 흡수가 이루어진다. 즉, 상기 개질가스배출관로(11)는 배출되는 개질가스의 열회수층으로 작용한다.

상기 개질가스는 개질가스배출관로(11)로부터 이에 연결된 개질가스열교환기(40)의 내측관로(41)로 유입되고, 연결관로(C2)를 통해 CO변성기(50)의 1차변성기(51)로 유입되어 하강하며, 이어 2차변성기(52)를 통해 상승하면서 변성반응을 일으킨다. 이로부터 생성된 변성가스는 2차변성기(52) 상단에 설치된 변성가스배출구(56)를 통해 배출된다. 이때, 전술한 바와 같이 CO변성기(50)의 내주면 및 외주면을 따라 마련된 반응물예열기(60)로 유입되는 반응가스의 흐름과 역류 관계를 이루어 보다 활발한 열교환이 이루어지도록 되어 있다.

각 변성기 들의 상/하단에 형성된 확산층(53,54,55)들은 경유하는 가스가 변 성촉매의 전체 단면적으로 고르게 퍼져 유입 및 배출되도록 함으로써 촉매 활용도를 증가시켜 변성반응이 보다 원활하고 효율적으로 이루어질 수 있도록 한다.

버너(30) 연소시 화염은 개질기(10)의 하부를 직접 가열하고 중간부 이상부터 상부는 버너폐가스배출관로(20)를 따라 상승하는 버너폐가스에 의해 가열되는데 이때 버너폐가스의 열량이 스택오프가스에 의해 상승되므로 개질 반응기 전체 온도가 균일하게 유지되어 개질반응에 적합한 온도를 유지할 수 있게 된다.

이와 같이 개질촉매의 온도구배가 감소되고 전체적으로 균일하게 활성화됨으로써 개질반응이 활발히 이루어져 개질기의 성능이 향상되고, 이에 연료변환장치 전체의 효율이 향상된다.

또한, 전술한 바와 같이 개질기(10)의 개질촉매를 통과하는 반응가스는 하방으로 흐르고 이에 반해 버너폐가스배출관로(20)의 버너폐가스는 상방으로 흐르므로 양자는 역류 관계에 있게 된다. 따라서, 보다 활발한 열교환이 이루어짐으로써 개질촉매의 가열이 보다 효율적으로 이루어진다.

한편, 상기 개질가스열교환기(40)의 내측관로(41)와 외측관로(42)에는 타공판(43)들이 설치될 수 있다.

이들 타공판(43)들은 가스의 흐름을 가능하게 하면서도 그 흐름 속도를 다소 지연시킴과 더불어 자체가 열전달 매개체로 작용하여 관로 표면으로의 열전달량을 증가시킴으로써 내측관로(41)를 지나는 개질가스와 외측관로(42)를 지나는 반응가스 간의 열교환이 보다 활발히 이루어질 수 있도록 한다.

또한, 상기 타공판(43)들의 사이에는 세라믹 재질이나 스테인리스스틸 울(stainless steel-wool) 재질의 전열물질(44)를 충진하여 가스와의 접촉 면적을 증대시킴으로써 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

이와 같이 외부로부터 공급된 반응가스가 개질가스열교환기(40)를 통과하면서 상기와 같은 구성에 의해 보다 활발히 다량의 열을 전달 받아 효과적으로 가열됨으로써 반응가스는 상기 연결관로(C1)를 통해 개질기(10)로 유입될 때 400℃ 이상으로 충분히 가열될 수 있게 된다.

한편, 상기 세라믹 및 스테인리스스틸 울 재질로 이루어진 전열물질(44)은 개질기(10) 내부의 개질가스배출관로(11) 및 상기 반응물예열기(60)의 내측관로(61)와 외측관로(62)에도 충진될 수 있다.

개질가스배출관로(11) 내에 충진된 전열물질(44) 역시 고온 개질가스와 보다 넓은 면적으로 접촉하여 개질가스로부터 많은 열을 흡수하게 되고, 그 열을 복사 및 전도에 의해 개질가스배출관로(11)를 통해 개질촉매 쪽으로 전달함으로써 개질가스로부터의 열 회수 성능을 향상시킬 수 있다.

반대로 반응물예열기(60)에 충진된 전열물질(44)은 CO변성기(50)측에서 전달되는 열을 흡수하였다가 자신을 지나는 반응가스에 열을 주어 반응가스의 예열이 활발히 이루어지도록 하는 역할을 한다.

한편, 상기 CO변성기(50)의 1차변성기(51)와 2차변성기(52) 사이에는 전열코일(80)이 설치된다.

상기 전열코일(80)은 장치의 운전 초기에 CO변성촉매를 가열하여 변성반응을 위한 촉매활성화 시간을 단축시킬 뿐만 아니라 촉매의 가열로 인접한 반응물예열 기(60)로 유입되는 반응물의 온도가 상승됨으로써 연료변환장치가 정격작동에 이르는 운전개시시간을 감소시킬 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예의 구성도로서, 도시된 바와 같이, 상기 개질가스배출관로(11)가 확장 성형되고, 그 내부 중앙에 원기둥형의 단열재(70)가 설치된다.

이때 개질가스배출관로(11)를 통해 배출되는 개질가스의 양이 동일한 경우에 개질가스와 접하는 개질가스배출관로(11)의 내주면 면적이 증가하여 전열면적이 증가되므로 개질가스의 열이 보다 원활하게 개질촉매로 전달될 수 있다. 따라서, 개질촉매의 온도구배 감소에 도움이 된다.

상기와 같이 개질가스배출관로(11)의 관경이 확장되면 상부에 위치한 개질가스열교환기(40)의 내측관로(41)와 직접 연결이 곤란하므로 별도의 연결관로(C4)를 매개로 양자를 연결한다.

한편, 상기 버너폐가스배출관로(20)의 외주에 물증발기(90)가 설치된다.

상기 물증발기(90)는 내측의 버너폐가스관로(91)와, 그 버너폐가스관로(91)의 외주면에 접하여 설치된 외측의 물관로(92)로 이루어지며, 상기 버너폐가스관로(91)의 상단에 상기 버너폐가스배출구(21)가 연결된다. 상기 버너폐가스관로(91)와 물관로(92) 역시 동심의 원통형으로 이루어진다.

상기 물관로(92)의 물공급구(93)와 물배출구(94)는 각각 물관로(92)의 외주면 하단과 상단에 형성되어, 물관로(92) 전체적으로 볼 때 물은 하부에서 상부로 흐르게 된다.

이에 대해 상기 버너폐가스관로(91)는 상단에 버너폐가스배출구(21)가 연결되어 있으므로 버너폐가스의 흐름은 상부에서 하부로 이루어지게 되는 바, 물과 버너폐가스의 흐름은 서로 반대이다.

따라서, 보다 효율적으로 버너폐가스의 열을 흡수하여 물의 증발이 이루어질 수 있게 되고, 상승과정에서 생성된 수증기는 상기 물배출구(94)를 통해 배출된다.

상기 물배출구(94)에서 배출된 수증기는 도 1의 실시예와 동일하게 반응물공급구(63)로 공급되거나((A)의 경우), 또는 상기 개질가스열교환기(40)의 내측관로(41)로 공급될 수 있다((B)의 경우).

상기 (B)의 경우에는 수증기가 반응물예열기(60)를 경유하지 않아 저온의 수증기에 CO변성기(50)의 열이 빼앗기지 않게 되므로 운전 초기 CO변성기에 설치된 전열기(전열코일(80))를 작동시키지 않고도 CO변성촉매의 활성화시간이 단축되고, 그에 상당하는 열이 반응가스로 전달될 수 있으므로 반응가스 예열 효과가 증대되어 전반적으로 장치의 운전 개시 시간이 감소하게 된다.

또한, 본 발명은 상기 반응물예열기(60)의 외측관로(62) 외주면에 접하여 설치된 원통형의 CO제거기(100)를 더 포함한다.

상기 CO제거기(100)에는 변성가스유입구(101)와 정화가스배출구(103)가 형성된다.

상기 변성가스유입구(101)는 CO변성기(50)의 변성가스배출구(56)와 연결되고, 측면에 외부 공기가 유입되는 공기공급구(102)가 더 형성된다.

따라서, CO변성기(50)로부터 배출된 변성가스가 공기와 혼합되어 CO제거 기(100)로 유입되고, 내부의 CO제거촉매를 매개로 선택적 산화반응이 이루어져 잔존 CO의 양이 스택 투입 조건인 10 ppm 이하로 감소된다.

이와 같이 CO가 제거된 정화가스는 정화가스배출구(103)를 통해 배출되어 스택의 연료극으로 공급되어 발전에 사용된다. 정화가스 내 CO의 양은 안정 수준으로 제거된 상태이므로 스택에서의 촉매 피독을 발생시키지 않는다.

한편, 상기 CO제거기(100)에서 이루어지는 선택적 산화반응은 발열반응으로서 운전이 지속되면 과열로 인해 촉매 내구성이 저하되는데, 상기 CO제거기(100)가 반응물이 도입되는 반응물예열기(60)의 외측관로(62)에 접해 있으므로 저온의 반응물과의 열교환 작용으로 냉각되어 과열되지 않고 적정 수준의 운전온도를 유지할 수 있다.

상기 CO제거기(100)의 촉매는 90~170℃의 온도범위에서 연속 사용이 가능한 촉매로서, 상기와 같은 공급 반응물에 의한 냉각작용에 의해 상기 범위의 운전온도가 유지된다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 물증발기(90)의 물관로(92) 내부에는 다수의 층상 유로를 형성하는 구획판(92a)들이 설치되고, 이들 구획판(92a)들을 상하방향으로 가로지르는 상태로 차단판(92c)이 설치된다. 그리고, 상기 차단판(92c)을 중심으로 좌우 반복하여 각 구획판(92a)에 이동통로(92b)가 형성된다.

따라서, 하층의 유로를 따라 물관로(92)를 원주방향으로 순환한 물은 차단판(92c)에 이르러 이동통로(92b)를 통해 상층의 유로로 유입되며, 다시 그 유로를 순환한 후 차단판(92c)의 반대쪽 측면에서 상부의 이동통로(92b)를 통해 그 상층의 유로로 유입된다. 이와 같이 물관로(92)의 내부에 복층구조의 순환유로가 형성되어 길이가 긴 이동경로가 확보됨으로써 물관로(92)를 통과하는 물은 상기 버너폐가스관로(91)를 통과하는 버너폐가스로부터 보다 많은 양의 열을 흡수하여 용이하게 수증기로 전환된다.

이때 물(물관로(92)의 하부에서 상부로 이동하면서 수증기로 상변화 됨)과 버너폐가스의 흐름이 보다 완전한 역류 관계를 형성할 수 있도록 상기 버너폐가스관로(91)의 내부를 물관로(92)와 동일한 구조로 형성할 수 있다.

따라서, 입구와 출구의 위치관계에 따라 전반적인 흐름 방향 즉, 상하 방향으로 역류 관계가 형성된 것에 더하여, 버너폐가스관로(91)와 물관로(92) 내부의 구분된 각 층의 원주방향 유동 또한 상호 역류 관계를 형성하여 보다 활발한 열교환 작용이 이루어지게 된다.

상기 버너폐가스관로(91)와 물관로(92)의 내부에도 세라믹 또는 스테인리스스틸 울 재질의 전열물질을 설치하여 열교환 효과의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 상기 차단판(92c)의 양측에 소정 간격을 두고 타공판(92d)이 설치될 수 있다. 상기 타공판(92d)은 차단판(92c)과 같이 구획판(92a)을 상하로 가로지르는 상태로 설치되되 다수의 구멍이 형성되어 있어 유체의 흐름을 가능하게 한 것이다.

상기 타공판(92d)이 설치되는 경우, 상기 이동통로(92b)는 타공판(92d)의 내측 즉, 차단판(92c)과 타공판(92d)의 사이에 형성된다.

상기 타공판(92d)은 타공판(92d)을 지난 유체의 역류를 억제함으로써 하층 유로의 유체가 상층 유로로 보다 원활히 이동될 수 있도록 하는 기능을 수행한다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 CO제거기(100)의 내부에는 원주방향을 따라 상단부착배플(104)과 하단부착배플(105)이 반복 설치되어, 변성가스유입구(101)로 유입된 변성가스가 상기 배플(104,105)들에 의해 형성된 상하 왕복 경로를 경유하여 정화가스배출구(103)를 통해 배출된다.

따라서, 긴 경로를 경유하면서 충분한 CO제거반응이 이루어질 수 있게 된다.

한편, 상기 CO제거기(100)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상부의 1차제거기(110)와 그 하부의 2차제거기(120)로 분할 구성될 수 있다.

이는 CO제거기(100)내 온도 구배에 따라 서로 다른 활성온도범위를 갖는 CO제거촉매를 구별하여 적용함으로써 CO제거기(100) 전체의 성능을 향상시키기 위함이다.

상기와 같이 1차제거기(110)와 2차제거기(120)가 설치될 경우, 1차제거기(110)의 배출구(103)와 2차제거기(120)의 유입구(121)가 상호 연결되며, 그 연결부에 공기의 추가 공급을 위한 공기공급구(122)가 더 형성된다.

상기 2차제거기(120)의 하단 일측에 스택의 연료극으로 연결되는 정화가스배출구(123)가 형성된다.

상기와 같이 복수의 제거기가 설치되는 경우에도 각 제거기의 내부는 도 6에서 설명한 구조가 동일하게 적용되어 CO제거 성능 및 반응물예열기(60) 외측관로(62)내 유입 반응물과의 열교환 성능의 향상을 도모할 수 있다.

한편, 도 7과 같이, 상기 물증발기(90)의 하부에 3중관열교환기(130)를 설치 할 수 있다.

상기 3중관열교환기(130)는 물증발기(90)의 버너폐가스관로(91)에 연결되는 중앙의 버너폐가스관로(131)와, 그 버너폐가스관로(131)의 내주면에 접하여 설치되는 스택오프가스관로(132) 및 상기 버너폐가스관로(131)의 외주면에 접하여 설치되는 연소반응물관로(133)로 이루어진다.

또한, 상기 스택오프가스관로(132)와 연소반응물관로(133)에는 각각 스택오프가스공급구(132a)와 연소반응물공급구(133a)가 설치된다.

또한, 스택오프가스관로(132)와 연소반응물관로(133)의 각 하단은 연결관로(도시하지 않음)를 통해 상기 버너(30)에 연결된다.

따라서, 스택의 연료극에서 배출된 스택오프가스가 상기 스택오프가스관로(132)를 통과하면서 버너폐가스로부터 열을 얻어 예열되고, 연료가스와 공기도 연소반응물관로(133)를 통과하면서 버너폐가스로부터 열을 얻어 예열됨으로써 버너(30)에서의 연소 효율이 향상된다.

그에 더하여 상기와 같이 버너폐가스로부터 최대한 열을 회수하여 사용함으로써 장치 전체의 에너지 효율이 향상된다.

한편, 열교환 효율을 향상시키기 위하여 상기 3중관열교환기(130)의 각 관로 내부에도 도 5에서 설명한 물증발기(90)의 물관로(92) 구조를 적용할 수 있다.

그와 더불어 스택오프가스관로(132)와 연소반응물관로(133)의 공급구 및 배출구의 위치를 조정함으로써 스택오프가스와 연소반응물의 흐름이 중간의 버너폐가스 흐름에 대하여 반대 방향으로 흐르도록 할 수 있다.

이에 따라 3중관열교환기(130)에서의 버너폐가스와 스택오프가스 및 연소반응물의 열교환 효율은 더욱 향상된다.

한편, 본 발명은 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 물증발기(90)로 공급되는 물을 물예열기(140)를 통해 미리 예열할 수 있다.

상기 물예열기(140)는 CO변성기(50)의 변성가스배출구(56)와 CO제거기(100)의 변성가스유입구(101)를 연결하는 변성가스공급관(141)이 내측에 배치되고, 외측에는 개질반응에 필요한 물이 공급되는 입구와 상기 물증발기(90)의 물공급구(93)로 연결되는 출구가 구비된 하우징(142)이 배치된 구조로 이루어진다.

이때 상기 하우징(142)을 관(pipe) 형상으로 제작하여 상기 변성가스공급관(141)과 더불어 이중관 구조를 이루도록 할 수 있다.

또한, 상기 하우징(142)을 상기 변성가스공급관(141)의 외주부를 나선 형태로 감싸는 튜브 형상으로 제작하여 열교환 면적을 극대화시킴으로써 개질반응용 물과 변성가스 사이의 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

따라서, CO변성기(50)로부터 배출되는 CO변성가스가 물예열기(140)를 경유하여 CO제거기(100)로 공급될 때, 외부로부터 공급되는 물이 상기 물예열기(140)를 경유하면서 CO변성가스로부터 열을 얻어 예열된 후 물증발기(90)로 공급된다.

이와 같이, 개질반응을 위하여 공급되는 물이 추가 열량을 얻어 공급됨으로써 상기 물증발기(90)의 증기화 효율이 향상된다.

또한, CO변성기(50)에서 배출되는 변성가스가 상온의 물과 열교환되어 낮은 온도로 CO제거기(100)로 공급되므로 CO제거기(100)의 반응온도를 적절히 유지할 수 있게 되며, 이에 따라 CO제거기(100)의 운전 온도를 유지하기 위해 설치되던 팬(fan) 등의 냉각장치를 설치할 필요가 없게 된다.

또한, 상기 물예열기(140)에 의해 변성가스의 온도가 감소되어 변성가스에 포함된 물이 일부 제거된 상태로 CO제거기(100)로 공급됨으로써 CO제거반응 성능이 향상된다.

도 1은 본 발명에 따른 연료변환장치의 단면도,

도 2는 버너의 일 예시도,

도 3은 또 다른 버너의 설치 상태도,

도 4는 도 1에서 개질가스배출관로의 구조가 변경되고, 물증발기와 CO제거기가 더 설치된 상태의 연료변환장치 단면도,

도 5는 물증발기의 물관로 내부 구조도,

도 6은 CO제거기의 내부 구조도,

도 7은 도 4에서 물증발기의 하부에 3중관열교환기가 더 설치된 상태의 연료변환장치 단면도,

도 8은 도 7에서 물예열기가 더 설치된 상태의 연료변환장치 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 개질기 11 : 개질가스배출관로

20 : 버너폐가스배출관로 30 : 버너

31 : 내측환형관 32 : 외측환형관

40 : 개질가스열교환기 41 : 내측관로

42 : 외측관로 50 : CO변성기

51 : 1차변성기 52 : 2차변성기

60 : 반응물예열기 61 : 내측관로

62 : 외측관로 70 : 단열재

80 : 전열코일 90 : 물증발기

91 : 버너폐가스관로 92 : 물관로

100 : CO제거기 110 : 1차제거기

120 : 2차제거기 130 : 3중관열교환기

131 : 버너폐가스관로 132 : 스택오프가스관로

133 : 연소반응물관로 140 : 물예열기

141 : 변성가스공급관 142 : 하우징

Claims (18)

1. 중심을 상하로 관통하는 개질가스배출관로가 형성된 개질기와;

   상기 개질기의 외주을 둘러싸는 버너폐가스배출관로와;

   상기 버너폐가스배출관로의 하단부에 설치되고, 상기 개질기의 외주 전체를 둘러싸는 버너와;

   상기 개질가스배출관로의 상부에 연결된 개질가스열교환기와;

   상기 개질가스열교환기에 연결되고, 그 외측을 둘러싸는 CO변성기와;

   상기 CO변성기의 외주면과 내주면을 경유하여 상기 개질가스열교환기에 연결되는 반응물예열기;를 포함하고,

   상기 개질기의 상부와 하부에 각각 확산층이 형성되고,

   상기 개질가스열교환기는 내측관로와 이를 둘러싼 외측관로로 이루어지며,

   상기 개질가스열교환기의 외측관로와 상기 개질기의 상부 확산층이 연결되고,

   상기 개질기의 개질가스배출관로가 상기 개질가스열교환기의 내측관로와 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 CO변성기는 내측의 1차변성기와 외측의 2차변성기로 구성되고,

   상기 1차변성기와 2차변성기의 상단에 각각 독립된 확산층이 형성되고, 하단에 상호 연결된 확산층이 형성되며,

   상기 1차변성기의 상부 확산층이 상기 개질가스열교환기의 내측관로와 연결되고,

   상기 2차변성기의 상부 확산층에 변성가스배출구가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 반응물예열기는 상기 1차변성기의 내주면에 접한 내측관로와 상기 2차변성기의 외주면에 접한 외측관로의 하단이 연결되어 이루어지고,

   상기 내측관로의 상단이 상기 개질가스열교환기의 외측관로에 연결되며,

   상기 외측관로의 상단에 반응물공급구가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 버너는 화염 형성부가 금속섬유로 이루어지고,

   상기 화염 형성부로 공기와 연료가 예혼합되어 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 버너는 상부에 동일한 간격으로 토출공들이 형성된 내측환형관과 외측환형관으로 이루어지고,

   상기 내측환형관에 공기가 공급되고,

   상기 외측환형관에 연료가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 버너폐가스배출관로의 상부에 귀금속이 담지된 연소촉매가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 개질가스열교환기의 내측관로와 외측관로에 타공판들이 설치되고,

   상기 타공판들의 사이에 전열물질이 충진된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 버너폐가스배출관로의 외측에 물증발기가 설치되고,

   상기 물증발기는 상기 버너폐가스배출관로의 버너폐가스배출구에 상단이 연결된 버너폐가스관로와,

   상기 버너폐가스관로의 외주면에 접하고, 자신의 외주면 하단과 상단에 각각 물공급구와 물배출구가 형성된 물관로로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 물증발기에서 생성된 수증기가 상기 반응물예열기의 반응물공급구로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
11. 청구항 9에 있어서,

    상기 물증발기에서 생성된 수증기가 상기 개질가스열교환기의 내측관로로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
12. 청구항 9에 있어서,

    상기 물증발기의 물관로 내부에 다수의 층상 유로를 형성하는 구획판들과, 상기 구획판들을 상하방향으로 가로지르는 차단판이 설치되고, 상기 차단판을 중심으로 좌우 반복하여 각 구획판에 이동통로가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
13. 청구항 12에 있어서, 상기 물관로와 면접한 상기 버너폐가스관로에 상기 물관로와 동일한 유로 구조가 적용된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
14. 청구항 4에 있어서,

    상기 반응물예열기의 외측관로에 접하여 CO제거기가 설치되고, 상기 CO제거기의 변성가스유입구와 CO변성기의 변성가스배출구가 연결되고, 상기 변성가스유입구에 공기공급구가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
15. 청구항 14에 있어서,

    상기 CO제거기의 내부에 상단부착배플과 하단부착배플이 원주 방향으로 반복 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
16. 청구항 9에 있어서,

    상기 물증발기의 하부에, 상기 물증발기의 버너폐가스관로에 연결되는 중앙의 버너폐가스관로와, 그 버너폐가스관로의 내/외측에 각각 접하는 스택오프가스관로 및 연소반응물관로로 이루어진 3중관열교환기가 설치되고,

    상기 스택오프가스관로와 연소반응물관로는 버너에 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
17. 청구항 16에 있어서,

    상기 3중관열교환기의 각 관로 내부에 상기 물증발기의 물관로와 동일한 유로 구조가 적용되고, 중간의 버너폐가스 흐름에 대하여 스택오프가스와 연소반응물의 흐름이 반대 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
18. 청구항 9에 있어서,

    상기 CO변성기로부터 배출되는 CO변성가스와 외부로부터 공급된 물을 열교환시켜 물증발기로 공급하는 물예열기가 더 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.

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