KR101183467B1 - 용융탄산염 연료전지의 촉매 산화시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융탄산염 연료전지의 촉매 산화시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 연료전지의 베셀 내부에 위치한 촉매 산화기의 촉매를 베셀 외부에서 교체가 가능한 촉매 산화기에 관한 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 용융탄산염 연료전지용 촉매 산화시스템은 연료전지 단위 스택이 내부에 적층되는 베셀(100), 상기 베셀(100)의 내부에 마련되는 촉매 산화기 본체(200), 상기 촉매 산화기 본체(200)의 내부에 마련되고 촉매가 착탈 가능하도록 수납되는 산화 촉매층(220), 상기 촉매 산화기 본체(200)에 상기 산화 촉매층(220)의 위치에 대응하여 마련되는 촉매 산화기 개도부(210) 및 상기 베셀(100)에 상기 촉매 산화기 개도부(210)와 대응하는 위치에 마련되는 베셀 개도부(110)를 포함하고, 상기 촉매 산화기 개도부(210)와 베셀 개도부(110)의 사이에는 상기 베셀(100)의 내부 및 촉매 산화기 본체(200)의 내부 사이의 유체이동을 차단하는 내부 차단막(300)이 마련되어 상기 촉매 산화기 개도부(210) 및 베셀 개도부(110)를 통해 산화 촉매층(220)의 촉매 교체가 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

용융탄산염 연료전지의 촉매 산화시스템{Catalytic Oxidizer System for Molten Carbonate Fuel Cell}

본 발명은 용융탄산염 연료전지의 촉매 산화시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 연료전지의 베셀 내부에 위치한 촉매 산화기의 촉매를 베셀 외부에서 교체가 가능한 촉매 산화기에 관한 것이다.

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

용융탄산염 연료전지 (molten carbonate fuel cell, MCFC)는 650 ^oC 이상의 고온에서 운전되며, 전기적으로 하전된 이온을 도전시키는 전해질 및 이를 포함하는 세라믹 구조체인 매트릭스로 분리되는 아노드 및 캐소드의 단위전지로 구성된다.

또한, 산소 및 이산화탄소를 포함하는 산화가스를 캐소드로 공급하고, 수소 및 수소 생성이 가능한 탄화수소계 가스를 아노드로 공급함으로써 용융탄산염 연료전지는 전기를 생산하게 되며, 원하는 전력을 생산하기 위하여 다수의 단위전지를 직렬로 적층하여 연료전지 단위 스택을 구성하게 된다.

용융탄산염 염료전지의 캐소드로 공급되는 산화가스는 캐소드와 반응하여 자유전자를 받아들이고, 이는 전해질과 반응하여 탄산염 이온을 형성한다. 이러한 탄산염 이온은 매트릭스내 전해질을 횡단하여 아노드로 이동하게 되고, 아노드로 공급되는 수소와 반응함으로써 물과 이산화탄소를 생성하며 자유전자를 생성한다. 이 자유전자를 외부로 연결하여 전기를 생성하게 된다.

용융탄산염 연료전지에서의 전해질은 용융된 탄산염 염 혼합물을 포함하며, 통상적으로 리튬 탄산염, 포타슘 탄산염, 소듐 탄산염 및 이들의 혼합 탄산염으로 구성된다. 이들 탄산염 전해질은 용융탄산염 연료전지의 작동온도인 550~650℃ 영역에서는 액체 상태로, 세라믹 구조체인 매트릭스에 갇혀있게 된다.

한편, 일반적으로 전기생산에 필요한 요구 연료보다 과량의 산화가스와 연료가스를 연료전지에 공급하게 되는데, 이는 연료전지의 반응속도를 빠르게 하고, 전지 전압을 상승시켜 생성 전력을 높게 하기 위함이다.

그러나, 이러한 과량의 연료 가스는 전체 연료전지 시스템 효율을 낮추게 되어 재순환을 통해 재이용하게 되며, 가장 일반적인 연료전지 배출 연료의 재이용 방법으로는 과잉 연료가스를 산화시켜 열을 회수하는 방법으로, 용융탄산염 연료전지 아노드 배기가스의 하부 스트림에 산화기를 위치시키고 순수 공기 및 캐소드 배기가스의 산화가스를 혼합하여 산화시킨다.

일반적으로 산화기는 산화촉매를 포함하고 이를 통해 아노드 배기가스에 포함된 수소, 메탄, 일산화탄소등의 탄화가스를 산화시키며 수증기, 이산화탄소 등을 생성하며 혼합가스의 온도를 상승시키게 되며 이렇게 생성된 고온의 혼합가스는 캐소드 입구로 재순환하여 이용된다.

이때, 촉매 산화기는 일반적으로 캐소드 및 아노드 가스를 혼합할 수 있는 혼합기, 산화 촉매가 위치하는 촉매 반응기, 산화후 혼합가스를 캐소드로 공급하는 공급기 등으로 구성되며, 산화반응을 통해 발생한 반응열을 효율적으로 회수하기 위하여 연료전지 베셀 내부에 위치하게 된다.

용융탄산염 연료전지의 고온 대기상태 및 운전상태에서는 내부 전해질이 액체상태로 존재하며 일부는 증발하여 가스상 형태를 취하며 캐소드 및 아노드 가스에 혼합된다. 이렇게 전해질이 포함된 아노드 및 캐소드 가스는 촉매 산화기에서 혼합되며 외부의 순수 공기와 만나 온도가 300~500℃ 정도로 낮아지게 된다. 이러한 온도냉각은 혼합가스내 전해질 입자를 응고시키게 되며, 응고된 전해질 입자는 촉매 산화기내 촉매층에 축적된다.

일반적으로 산화기용 촉매에 축적된 전해질 입자는 산화 촉매의 활성금속을 덮어 촉매 성능을 감소시키며, 과잉 축적된 전해질 입자는 혼합가스의 흐름을 방해하여, 촉매층을 횡단하는 혼합가스의 압력강하를 일으킨다. 이러한 압력강하는 캐소드 입구 압력을 낮추게 되고, 아노드 공급 연료의 압력과 편차를 크게 하여 스택 장기운전성을 저감한다. 또한 전해질 입자에 의한 산화기 촉매층에서의 혼합가스 압력 및 유로의 변화는 산화기 촉매층에서의 불균일한 산화반응을 유도하고 내부 온도편차를 높이게 된다.

이와 같은 압력 및 온도의 변화는 단기적으로 아노드 배가스의 산화반응을 방해하여 전체 효율 및 스택 전압 감소를 가져오며, 장기적으로 스택 구조물의 안정성을 저해하여 스택의 수명을 감소시키게 된다.

따라서, 아노드 및 캐소드 배기가스에 포함된 전해질은 촉매 산화기의 촉매층에 도달하기 전에 제거되어야 하며, 이를 통해 일정한 산화반응과 압력, 온도 분포를 유지하여야 한다.

일반적으로 전해질 입자의 제거는 산화 촉매 전단에 전해질 축적을 담당하는 구조체를 위치하거나, 전해질 제거에 적합한 솔벤트를 이용하는 방법을 사용하고 있으나, 이러한 방법도 완전한 전해질 제거에는 어려움이 있으며 피독된 산화기 촉매를 재생하거나 성능을 개선하는데 한계가 있는 문제점이 있다.

도 1은 스택 베셀 내부에 촉매 산화기(Oxidation Catalyst)를 두고, 아노드 배기가스를 스택 내부 혹은 외부에서 재순환하여 촉매 산화기에 공급하며 산화시키는 구성을 나타내고 있다.

이때, 산화가스의 공급을 위해 캐소드 배기가스의 일부를 함께 혼합하거나, 외부의 순수 공기를 혼합하여 공급한다. 온도가 낮은 외부 공기를 이용할 경우 촉매 산화기 내에서의 온도 상승을 줄일 수 있으며, 과잉의 공기 공급으로 촉매층 내에서의 온도편차를 줄일 수 있다.

도 2는 스택 베셀 외부에 촉매 산화기를 두고, 아노드 배기가스를 스택 외부에서 재순환하여 촉매 산화기에 공급하며 산화시키는 구성을 나타내고 있다.

이 경우, 캐소드 배기가스의 일부 혹은 순수 공기를 산화가스로 이용할 수 있으며 이러한 구성은 스택 베셀 외부에 촉매 산화기가 있으므로 촉매층의 교체 및 산화기 운전, 유지 보수에 수월하고, 고온 반응 이후의 가스 온도를 조절하여 스택에 공급 가능한 장점이 있으나, 별도의 공간이 필요하고 고온 배관이 길어짐에 따라 추가 설비에 따른 비용이 발생하며, 외부로의 열 손실로 인하여 열효율이 감소할 수 있다.

따라서, 내부 촉매 산화기를 이용하면서도 촉매층의 피독으로 성능이 저하된 경우 연료의 재순환 배관을 외부로 유도하여 외부 촉매 산화기를 이용하며 운전성을 확보하는 수단을 고려할 수 있으나, 스택 내부 촉매 산화기를 이용하는 중에도 배기가스 재순환 배관을 스택 외부로 배출하여 구성해야 하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 베셀 내부에 위치한 촉매 산화기의 촉매가 전해질 및 고온 반응열에 의해 성능이 감소된 경우 최적의 성능을 유지할 수 있도록 촉매 교체가 가능한 촉매 산화시스템을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 촉매 산화기의 촉매층을 통과하는 혼합가스의 흐름을 조절하여 병렬로 위치하는 산화 촉매층을 개별적으로 각각 교체할 수 있는 촉매 산화시스템을 제공하고자 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 용융탄산염 연료전지용 촉매 산화시스템은 연료전지 단위 스택이 내부에 적층되는 베셀(100), 상기 베셀(100)의 내부에 마련되는 촉매 산화기 본체(200), 상기 촉매 산화기 본체(200)의 내부에 마련되고 촉매가 착탈 가능하도록 수납되는 산화 촉매층(220), 상기 촉매 산화기 본체(200)에 상기 산화 촉매층(220)의 위치에 대응하여 마련되는 촉매 산화기 개도부(210) 및 상기 베셀(100)에 상기 촉매 산화기 개도부(210)와 대응하는 위치에 마련되는 베셀 개도부(110)를 포함하고, 상기 촉매 산화기 개도부(210)와 베셀 개도부(110)의 사이에는 상기 베셀(100)의 내부 및 촉매 산화기 본체(200)의 내부 사이의 유체이동을 차단하는 내부 차단막(300)이 마련되어 상기 촉매 산화기 개도부(210) 및 베셀 개도부(110)를 통해 산화 촉매층(220)의 촉매 교체가 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산화 촉매층(220)은 촉매 산화기 본체 내부로 유입되는 혼합가스의 흐름에 대하여 복수로 구성되고, 각각의 산화 촉매층(220)을 통과하는 혼합가스의 유로는 개별적으로 구성되어 서로 혼합되지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 산화 촉매층(220)의 상하에 위치하여 상기 산화 촉매층(220)을 지지하는 상하 지지체(400)를 더 포함하고, 상기 상하 지지체(400)는 금속 다공판인 것을 특징으로 할 수 있다.

나아가, 상기 촉매 산화기 본체(200)에 있어서 상기 산화 촉매층(220)의 상하에는 산화 촉매층(220)으로의 가스 유입을 차단하는 가스 차단막(230)을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 베셀 내부에 위치한 촉매 산화기의 촉매를 교체할 수 있도록 구성하여 전해질 및 고온 반응열에 의한 촉매의 성능 감소를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 촉매 산화기의 촉매를 교체할 때 촉매층을 통과하는 혼합가스의 흐름을 조절하여 병렬로 위치하는 산화 촉매층을 개별적으로 각각 교체할 수 있다.

나아가, 금속 다공판으로 구성되는 상하 지지체를 더 포함하여 산화 촉매층에서 과도한 열 발생을 방지하면서도 촉매 산화기의 열 회수를 효율적으로 할 수 있다.

도 1은 용융탄산염 연료전지의 베셀 내부에서 아노드 배가스를 재순환하여 이용하는 구성에 대하여 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 용융탄산염 연료전지 베셀 내부의 촉매 산화기의 촉매층 교체를 위하여 아노드 배가스를 베셀 외부에서 재순환하여 이용하는 구성에 대하여 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산화시스템의 베셀을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산화시스템의 촉매 산화기 본체와 베셀의 내부 차단막을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산화시스템의 촉매 산화기 본체의 가스 차단막을 더 포함한 모습을 개략적으로 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산화시스템의 촉매 산화기 본체의 가스 차단막을 더 포함한 모습을 개략적으로 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산화시스템에 있어서 상하 지지체를 더 포함한 모습을 개략적으로 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산화시스템에 있어서 가스 차단막 및 상하 지지체를 모두 포함한 모습을 개략적으로 나타낸 도면.

본 발명은 베셀 내부에 위치한 촉매 산화기의 촉매를 교체할 수 있는 촉매 산화기 구조를 제공한다. 일반적으로 촉매 산화기는 베셀 외부와 단절되어 존재하게 되는데, 본 발명은 촉매 산화기의 촉매층 옆면을 개방 가능한 구조로 변경하고 이를 베셀 외부에서 접근 가능하도록 구성하여, 촉매의 교체를 가능하게 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지의 촉매 산화시스템에 대해서 설명한다.

도 3 및 도 4를 참고하면 본 발명의 일 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지의 촉매 산화시스템은 연료전지 단위 스택이 내부에 적층되는 베셀(100), 상기 베셀(100)의 내부에 마련되는 촉매 산화기 본체(200), 상기 촉매 산화기 본체(200)의 내부에 마련되고 촉매가 착탈 가능하도록 수납되는 산화 촉매층(220), 상기 촉매 산화기 본체(200)에 상기 산화 촉매층(220)의 위치에 대응하여 마련되는 촉매 산화기 개도부(210) 및 상기 베셀(100)에 상기 촉매 산화기 개도부(210)와 대응하는 위치에 마련되는 베셀 개도부(110)를 포함한다.

상기 베셀(100)은 내부 공간을 구비하고 연료전지 단위 스택이 내부에 적층된 스택(120)을 포함하여 전기를 생산하는 구조물이며, 촉매 산화기는 상기 베셀(100)의 내부에 마련되어 아노드 배가스를 재순환하여 이용하게 된다.

상기 촉매 산화기는 촉매 산화기 본체(200)의 내부에 산화 촉매층(Catalyst Chamber)을 포함하여 가스를 관통하여 촉매반응이 일어나며, 상기 산화 촉매층(220)의 촉매는 착탈 가능하도록 수납되어 필요 시 촉매를 교체할 수 있는 구조를 가진다.

상기 촉매 산화기 본체(200)에는 상기 산화 촉매층(220)의 위치에 대응하여 마련되는 촉매 산화기 개도부(210)가 마련되어 이를 통하여 상기 산화 촉매층(220)의 촉매를 교체할 수 있게 된다.

또한, 상기 베셀(100)은 내부에 마련되는 촉매 산화기 개도부(210)를 통한 촉매의 교체를 위해서 상기 촉매 산화기 개도부(210)의 위치와 대응되는 베셀 개도부(110)가 마련되어 베셀 외부에서 촉매 산화기 본체 내부에 접근할 수 있는 공간을 확보할 수 있다.

나아가, 일반적으로 일체형으로 밀봉되는 촉매 산화기의 산화 촉매층(Catalyst Chamber)에서 베셀(100) 방향으로 촉매 산화기 개도부(210)를 설치하고, 베셀과 촉매 산화기 본체(200) 사이에 내부 차단막(300)을 설치하여 베셀(100) 내부의 유체가 촉매 산화기로 유입되는 것을 방지하도록 한다.

즉, 상기 촉매 산화기 개도부(210)와 베셀 개도부(110)의 사이에는 상기 베셀(100)의 내부 및 촉매 산화기 본체(200)의 내부 사이의 유체이동을 차단하는 내부 차단막(300)이 마련되어 상기 촉매 산화기 개도부(210) 및 베셀 개도부(110)를 통해 산화 촉매층(220)의 촉매 교체가 가능한 구조를 갖는다.

도 5를 참고하면, 상기 내부 차단막(300)에 의한 베셀(100) 내부와 촉매 산화기 본체(200) 및 산화 촉매층(220)과의 밀폐 구조를 좀 더 이해할 수 있으며, 베셀(100) 내부의 유체는 촉매 산화기 본체(200)로 유입이 불가하게 된다.

도 6을 참조하면, 상기 산화 촉매층(220)은 촉매 산화기 본체 내부로 유입되는 혼합가스의 흐름에 대하여 복수로 구성되고, 각각의 산화 촉매층(220)을 통과하는 혼합가스의 유로는 개별적으로 구성되어 서로 혼합되지 않는 구조를 가질 수 있다.

따라서, 산화 촉매층은 혼합가스의 흐름 방향에 대항하여 병렬로 구성함으로써 산화 촉매층 간에는 유체의 혼합이 발생하지 않으므로 개별적인 촉매의 교체가 가능하도록 하였다.

나아가, 상기 산화 촉매층(220)의 상부 및 하부에 별도의 가스 차단막(230)을 설치하여 촉매 교체시 상기 가스 차단막(230)에 의해 촉매를 교체하는 산화 촉매층(220)의 혼합가스의 유입을 제한할 수 있도록 하였다.

또한, 촉매 산화기는 유체에 포함된 가연성 가스를 연소시켜 그 열을 회수할 수 있도록 하기 위한 것으로, 가연성 가스가 불균일하게 촉매층과 반응할 경우 촉매층의 일부분에서 온도가 급격히 상승하는 현상(Hot Spot)이 발생할 수 있다.

이를 최소화 하고자 먼저 가스 혼합을 균일하게 하거나 발생하는 열을 주위로 빠르게 배출하고자 촉매 자체를 금속 지지체를 사용하거나, 촉매 층을 지지하는 판을 열전도도가 높은 금속판을 사용하는 것이 필요하다.

도 7을 참조하면, 상기 산화 촉매층(220)의 상하에 위치하여 상기 산화 촉매층(220)을 지지하는 상하 지지체(400)를 더 포함할 수 있으며, 상기 상하 지지체(400)는 금속 다공판으로 구성되어 혼합가스의 온도를 균일하게 산화 촉매층에 전달하고 산화반응 이후의 고온열이 산화 촉매층에 균일하게 퍼질 수 있다.

나아가, 상하 지지체(400)를 금속 다공판으로 사용하면 산화 촉매층(220) 자체를 금속으로 하거나, 향후 세라믹 형태의 촉매를 사용할 수도 있어 열전달을 좋게 할 수 있다.

도 8을 참고하면, 상기 가스 차단막(230) 및 상하 지지체(400)는 각각 별도로 또는 모두 함께 마련되어 사용될 수 있으며 스택이나 촉매 연소기 종류 및 구성에 따라 다양하게 구현될 수 있다.

촉매 산화기의 촉매는 Pt 또는 Pd 계열의 활성 금속에 의해 형성되거나, 세라믹 혹은 금속 재질의 허니컴 구조의 지지체로 이루어지거나 또는, MnO2 또는 CuO 계열의 활성 금속에 의해 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 적용된 촉매 산화기 구성을 이용하여, 성능이 저하된 촉매층을 교체할 경우, 스택에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 전기부하와 캐소드 및 아노드 간의 압력차를 최소로 유지하면서 가연성 가스의 누수에 의한 위험을 주의하면서 촉매를 교체하는 것이 바람직하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100; 베셀 110; 베셀 개도부
120; 스택 200; 촉매 산화기 본체
210; 촉매 산화기 개도부 220; 산화 촉매층
230; 가스 차단막 300; 내부 차단막
400; 상하 지지체

Claims (4)

1. 연료전지 단위 스택이 내부에 적층되는 베셀(100);
   상기 베셀(100)의 내부에 마련되는 촉매 산화기 본체(200);
   상기 촉매 산화기 본체(200)의 내부에 마련되고 촉매가 착탈 가능하도록 수납되는 산화 촉매층(220);
   상기 촉매 산화기 본체(200)에 상기 산화 촉매층(220)의 위치에 대응하여 마련되는 촉매 산화기 개도부(210)
   상기 베셀(100)에 상기 촉매 산화기 개도부(210)와 대응하는 위치에 마련되는 베셀 개도부(110)를 포함하고,
   상기 촉매 산화기 개도부(210)와 베셀 개도부(110)의 사이에는 상기 베셀(100)의 내부 및 촉매 산화기 본체(200)의 내부 사이의 유체이동을 차단하는 내부 차단막(300)이 마련되어 상기 촉매 산화기 개도부(210) 및 베셀 개도부(110)를 통해 산화 촉매층(220)의 촉매 교체가 가능한 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 촉매 산화시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 산화 촉매층(220)은 촉매 산화기 본체 내부로 유입되는 혼합가스의 흐름에 대하여 복수로 구성되고
   각각의 산화 촉매층(220)을 통과하는 혼합가스의 유로는 개별적으로 구성되어 서로 혼합되지 않는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 촉매 산화시스템.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 산화 촉매층(220)의 상하에 위치하여 상기 산화 촉매층(220)을 지지하는 상하 지지체(400)를 더 포함하고,
   상기 상하 지지체(400)는 금속 다공판인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 촉매 산화시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 촉매 산화기 본체(200)에 있어서 상기 산화 촉매층(220)의 상하에는 산화 촉매층(220)으로의 가스 유입을 차단하는 가스 차단막(230)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 촉매 산화시스템.

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