KR101246795B1 - 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기에 관한 것이다. 이는 촉매층(110)이 내장되어 있는 반응부(10)와, 상기 반응부의 일측에 마련되어 가스 상태의 반응물질이 유입되는 유입부(20)와, 상기 반응부의 타측에 마련되어 있어 상기 반응물질이 상기 촉매층(110)과 반응한 후 배출되는 배출부(30)를 포함하는 원통형 촉매 연소기(1)에 있어서, 상기 촉매층(110)은 두 개의 서로 다른 셀밀도를 가지는 이중층(112, 114)으로 이루어지되 상기 촉매층(110)은 반응물질이 유입되는 측의 전단층(112)과 유출되는 측의 후단층(114)으로 이루어지며; 상기 전단층(112)의 셀밀도는 상기 후단층(114)의 셀밀도에 비하여 더 작다. 이에 따라 예컨대 연료전지에서 배출되는 배기가스 처리를 위한 촉매 반응기에서 제조하기 용이하고 저렴한 간단한 구조에 의하여 촉매 연소기의 전단에서의 촉매 반응이 억제되는 반면에 후단에서 촉매 반응을 활성화시킴으로써 이에 의하여 촉매층의 전단과 후단에서의 온도 구배를 감소시켜 개질기로의 균일한 열전달이 가능하게 할 수 있는 등의 현저한 효과가 제공된다.

Description

이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기{AN EXHAUST GAS COMBUSTOR OF FUEL CELL HAVING TWO DIFFERENT CATALYST LAYERS}

본 발명은 일반적으로 연료전지용 배기가스 촉매 반응 연소기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 촉매 반응 연소기 내의 촉매층을 이중 촉매층으로 구성되고, 이러한 이중 촉매층의 셀밀도를 전단과 후단에서 서로 상이하게 설계하여, 이중 촉매층의 전단과 후단에서 산화 반응 속도를 상이하게 함으로써, 이중 촉매층의 전단과 후단에서의 온도 구배를 감소시켜 개질기로의 균일한 열전달을 가능하게 하는 새로운 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기에 관한 것이다.

일반적으로 촉매 연소기는 연료전지에서 배출되는 배기가스를 연소시키기 위한 것으로서, 연소, 개질, 산화 또는 환원 반응 등 원하는 화학반응을 유발 또는 촉진시키기 위해 촉매층에 반응물질을 통과시키도록 한 것이다. 이러한 촉매 반응 연소기의 적용분야에는, 연료전지의 배기가스를 처리하여 개질하는 분야 등이 포함될 수 있다.

이러한 촉매 연소기는 흡열 반응인 환원 반응을 수반하기 위해 발열반응인 산화 반응을 수행하는 것을 목적으로 하는데, 하나의 예로써, 증기/메탄 개질 반응인 H₂O + CH₄ → CO + 3H₂ 흡열 반응을 수행하기 위한 필요한 열을 제공하기 위하여, 메탄을 연소시키는 반응 즉, CH₄ + 20₂ → CO₂ + 2H₂O의 발열 반응을 위해 촉매 연소기 내에서 팔라듐(pd) 또는 백금(pt) 등의 다수의 상이한 촉매를 사용하여 상기 반응을 수행한다.

종래 촉매 반응 연소기의 구조는, 예컨대 대한민국 특허 등록번호 10-0778536에 개시되어 있고, 본 명세서에 첨부되어 있는 도 1에 도시된 원통형 구조가 알려져 있다. 이러한 촉매 반응 연소기는 일반적으로 연소시 750℃ 이상의 온도에서 사용되는 점에 있어서, 부식 저항성이 있는 알루미늄을 함유하는 페라이트계 스틸로서 제조되어질 수 있다. 종래의 원통형 촉매 반응기(1)는 하단에 다공판층(40)이 구비되고 상단에 촉매층(11)을 구비하였으며, 상대적으로 넓은 직경의 반응부(10)의 상하로 연통하는 상대적으로 좁은 유입부(20) 및 유출부(30)로 구성되어 있다.

이러한 촉매 반응 연소기에서 메탄 등의 반응물질이 유입부(20)측으로 유입되고, 유입부(20)에서 유입된 반응물질은 반응부(10)의 촉매층(11)으로 접근하여 백금 또는 팔라듐의 촉매와 반응하게 된다. 여기서, 유입부(20)와 반응부(10)의 촉매층(11) 사이에 구비되는 유동 분배판이라고 불리는 다층의 다공판층(40)은 촉매층(11)의 직경 전체에 대하여 반응물질을 균일하게 분배시키는 역할을 한다. 이에 따라 유입부(20)에서 유입되는 반응물질은 다공판층(40)의 서로 엇갈리게 설치되어 있는 통공(41a)들을 통과하면서 촉매층(11) 전면에 걸쳐 고르게 분배되며, 이후 촉매층(11)을 통과하면서 발열반응인 촉매 연소 반응을 거쳐 유출부(30)에 연결되어 있는 예컨대 흡열반응이 일어나는 개질기(미도시)로 공급될 수 있다.

그러나 이러한 종래의 촉매 반응 연소기 구조에 의하면, 배기가스가 유입되는 촉매 반응 연소기의 상단의 촉매층(11)의 전단과 촉매 반응 후에 유출되는 하류인 촉매층(11)의 후단 사이에 상당한 온도차가 발생한다는 문제가 있었다. 이는 촉매 연소 반응이 발열 반응인데다가 촉매층(11)의 전단부에서의 촉매 연소 반응이 후단부에서의 촉매 연소 반응보다 훨씬 더 활발하게 일어나기 때문이다. 이러한 온도차 즉, 온도 구배는 이후 개질기의 온도 구배에서 영향을 미치게 되어 개질기의 효율을 저하시킨다는 문제를 초래한다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 촉매 반응 연소기의 촉매 연소 반응이 단계적으로 이루어지도록 하여 온도 구배를 최소화하는 것이 중요한데, 이를 위하여 반응 물질이 촉매층에 단계적으로 유입되도록 설계하는 방안이 있을 수 있으며, 다른 방식으로는 촉매의 담지량을 조절하여 촉매층 전단의 연소 반응을 억제시키는 방안이 있을 수 있다. 그러나 반응 가스가 촉매층에 단계적으로 유입되도록 제어하는 것이나 촉매의 담지량을 조절하는 것은 매우 복잡하고 까다로운 기술적 노하우를 필요로 하는 것이어서 구현하기가 힘들며, 설사 구현한다고 하더라도 그 제조비용이 증가하게 된다는 단점이 있었다.

그러므로 원통형 촉매 반응 연소기와 같은 구조를 채택하는 연료전지용 배기가스 연소기 등에 있어서 촉매층의 전단과 후단에서의 연소 반응을 억제 또는 활성화시킬 수 있으면서도 구조가 간단하여 제조하기 쉽고 저렴하게 구현할 수 있는 촉매층 구조에 대한 절실한 요구가 여전히 존재한다.

본 발명은 상술한 종래 연료전지용 배기가스 촉매 반응 연소기의 촉매층의 반응을 위한 구조를 개선하고 다양한 추가 장점을 제공하기 위하여 발명된 것이다. 본 발명은 촉매 반응 연소기에 구비되는 촉매층의 셀밀도를 전단과 후단에서 서로 상이하게 설계함으로써 전단과 후단에서 촉매 반응 속도가 상이하게 되고 이에 의하여 촉매층의 전단과 후단에서의 온도 구배를 감소시켜 개질기로의 균일한 열전달이 가능하게 한 새로운 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기에 의하여 달성된다.

본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배가스 연소기는, 촉매층이 내장되어 있는 반응부와, 상기 반응부의 일측에 마련되어 가스 상태의 반응물질이 유입되는 유입부와, 상기 반응부의 타측에 마련되어 있어 상기 반응물질이 상기 촉매층과 반응한 후 배출되는 배출부를 포함하는 원통형 촉매 연소기에 있어서, 상기 촉매층은 두 개의 서로 다른 셀밀도(cell density)를 가지는 이중층으로 이루어지되 상기 촉매층은 반응물질이 유입되는 측의 전단층과 유출되는 측의 후단층으로 이루어지며; 상기 전단층의 셀밀도는 상기 후단층의 셀밀도에 비하여 더 작다.

일 실시예에 있어서, 상기 전단층의 셀밀도는 50 ~ 200 cpsi(cell per square inch)이고 상기 후단층의 셀밀도는 200 ~ 800 cpsi이다.

다른 실시예에 있어서, 상기 전단층 및 후단층은 개별 입자 형태의 촉매 셀들이 적층되어 형성되고, 상기 전단층의 촉매 셀의 직경이 상대적으로 상기 후단층의 촉매 셀의 직경보다 더 크다.

또한 또 다른 실시예에 있어서, 상기 전단층과 후단층의 반응물질의 통과 방향으로의 길이 즉, 두께는 1:1이다.

상술한 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 제조하기 용이하고 저렴한 간단한 구조에 의하여 촉매 반응 연소기의 전단에서의 촉매 반응이 억제되는 반면에 후단에서 촉매 반응을 활성화시킴으로써 이에 의하여 촉매층의 전단과 후단에서의 온도 구배를 감소시켜 개질기로의 균일한 열전달이 가능하게 할 수 있는 등의 현저한 효과가 제공된다.

도 1은 종래기술에 따른 촉매 반응 연소기 구조를 설명하기 위한 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기 구조의 예를 보여주는 개략도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기 구조의 예를 보여주는 개략도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기는 반응부(10)의 이중 촉매층(112, 114)), 유입부(20), 유출부(30) 및 유동 분배판인 다공판층(40)으로 구성되어 있다.

본원 발명의 촉매 반응 연소기 및 개질기 내에서의 반응물질의 흐름을 설명하면 다음과 같다. 일반적으로, 메탄 등의 반응물질이 촉매 연소기의 유입부를 통해 촉매 반응 연소기 내로 유입되고, 반응물질은 서로 엇갈리게 설치되어 있는 유동 분배판의 다공판층 통공(41a)들을 통과하여 백금 또는 팔라듐의 이중 촉매층(110) 전면에 걸쳐 고르게 분배된다. 반응물질은 이중 촉매층의 전단(112)에서 첫 번째 촉매 반응을 하고 이중 촉매층의 후단(114)에서 두 번째 촉매 반응을 수행한다. 이러한 발연 반응을 통해 생성된 열은 개질기로 전달되고, 이러한 열을 사용하여 개질기 내에서 흡열 반응을 통해 증기/메탄 개질 반응이 수행된다.

도 2에 도시되어 있듯이. 본원 발명의 유동 분배층의 다공판 층은 다수의 구멍이 형성되어 있고, 하나 또는 복수 개의 다공판층(40)이 반응부(10) 내의 유입부(20)와 촉매층(11) 사이에 배치되어질 수 있다. 복수 개의 다공판(40)은 서로 간격을 두고 장착되되, 서로 인접한 다공판(40)에 형성된 구멍이 서로 겹치지 않도록 장착되는 것이 유선 변화 효과를 크게 할 수 있다는 측면에서 바람직하다. 이러한 유동 분배층이 구비됨으로써, 유입부(20)를 통하여 유입된 반응물질은 하나 또는 복수의 다공판층을 각각 차례로 통과하며 유동이 균일화되어 촉매층(11)의 전단에 골고루 분배되게 되어진다. 따라서, 촉매 반응기의 유동 균일화 장치에 의해 다공판에 의해 촉매층(11) 전단의 유동이 균일해지고, 이에 따라 촉매층(11)으로 유입되는 반응물질의 유동이 균일해져 촉매층(11) 전체에서 반응이 일어나므로 핫 스폿(hot spot)의 발생을 방지하여 촉매층(11)의 내구성이 향상될 수 있다.

또한, 본원 발명은 종래의 촉매 연소기와는 다르게 촉매층을 구비하는 것에 있어서, 단일 촉매층이 아닌 촉매의 크기가 다른 이중 촉매층을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본원 발명의 반응부(10)에 구비되는 이중 촉매층(110)은 서로 다른 셀밀도(cell density)를 가지는 이중 촉매층(112, 114)으로 이루어진다.

여기서 ‘셀밀도’라 함은 촉매담체의 셀밀도를 의미한다. 연료전지용 배기가스에는 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 가스가 포함될 수 있는데, 이들 가스를 완전 연소시키기 위한 촉매는 통상 알루미늄이나 실리카로 제조한 촉매담체에 촉매반응을 위한 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd) 등의 금속을 담지하여 사용한다.

촉매담체는 구 형태의 입자일 수 있으며, 또는 구 형태의 입자에 세밀한 구멍들이 형성된 다공성 구조체일 수도 있다. 셀밀도가 크면 클수록 촉매담체의 셀 크기는 작다는 것을 의미하며, 셀밀도가 작으면 촉매탐체의 셀크기가 크다는 것을 의미한다. 본 명세서에서‘촉매의 크기’를 언급할 때는 내부에 담지된 촉매를 구비하는 촉매담체의 크기 즉, 촉매 셀의 크기를 의미하는 것임을 알아야 할 것이다.

일반적으로 반응물질과 촉매의 반응속도는 반응 물질의 양, 촉매의 양 및 촉매의 크기(표면적)등을 변수로 한다. 즉, 촉매의 양이 많아지면 그만큼 반응물질과의 반응이 촉진되어 반응속도가 빨라지며, 또한, 촉매의 표면적이 넓어지면 넓어질수록 반응속도가 빨라지게 된다. 따라서, 촉매 셀의 크기가 큰 경우 촉매의 비표면적이 작아지고, 촉매의 유효인자가 적게 되므로 연소 반응은 느리게 일어나게 되고, 반면에 촉매 셀의 크기가 작은 경우에는 촉매의 비표면적은 커지게 되고, 촉매의 유효인자가 크게 되므로 연소 반응이 빠르게 일어난다.

본원 발명의 촉매 반응 연소기는 촉매층을 2 부분으로 나누어 촉매층의 전단에는 촉매 담체의 셀 크기가 작은 촉매가 구비되고, 촉매층의 후단에는 촉매 담체의 셀 크기가 큰 촉매가 구비된다. 따라서, 두 개의 서로 다른 셀밀도를 가지는 이중 촉매층(112, 114)로 이루어지게 된다. 즉, 반응물질이 유입되는 측의 전단층(112)에는 촉매의 크기가 상대적으로 크고, 반면에 유출되는 측의 후단층(114)에는 촉매의 크기가 상대적으로 작도록 이중 촉매층이 형성된다. 따라서, 전단층(112)의 셀밀도는 후단층(114)의 셀밀도에 비하여 더 작게 된다.

이에 따라 전단층(112)에서의 촉매의 비표면적은 작게 되고, 촉매의 유효인자 또한 적어지게 되므로, 반응물질과 촉매의 촉매 연소 반응은 느려지게 되며, 반대로 후단층(114)에서의 촉매의 비표면적은 크게 되고, 촉매의 유효인자 또한 커지게 되므로, 반응물질과 촉매의 촉매 연소 반응은 빨라지게 되어 후단층에서의 촉매 연소 반응은 전단층에서의 촉매 연소 반응보다 상대적으로 빨라지게 된다. 따라서, 전단층에서의 촉매 연소 반응은 후단층(114)에서의 촉매 연소 반응에 비하여 현저히 억제될 수 있고, 이로써 촉매층의 전단층과 후단층에서 불균일한 온도구배가 생기는 것을 방지할 수 있다.

종래에 촉매는 단일 촉매층으로서, 촉매담체의 셀밀도는 단일 크기의 촉매로서 일정하게 제조되는 것이 일반적이다. 통상적으로 약 400 cpsi의 일정한 셀밀도를 가지고 제조되었다. 이러한 경우, 촉매 전단과 촉매 후단에 있어서의 촉매 연소 반응이 서로 불균일하므로 온도 구배가 발생할 수 밖에 없게 되고, 이는 개질기로 전달되는 열에 대해서도 동일하게 온도 구배를 발생하게 되므로 개질기에서의 개질 반응에도 영향을 미쳐 개질기의 효율을 저하시키는 단점이 있었다.

이에 비하여, 본원 발명의 촉매 반응 연소기의 촉매층(110)은 2개의 서로 다른 셀밀도를 가지는 층을 포함하고, 특히 반응가스의 진행방향에 따라 전단층(112)과 후단층(114)으로 나뉘어 전단층에서는 작은 셀밀도를 가지는 촉매층이, 후단층에서는 큰 셀밀도를 가지는 촉매층이 구비되도록 서로 다른 셀밀도를 가지도록 제작한다는 점에 특징이 있다.

본 발명에 따라 구체적으로 전단층(112)의 셀밀도는 50 ~ 200 cpsi(cell per square inch)이고 후단층(114)의 셀밀도는 200 ~ 800 cpsi으로서, 상대적으로 20배 내지 4배 정도로 차이가 나는 것이 바람직하다. 한편 전단층(112)과 후단층(114)의 반응물질의 통과 방향으로의 길이 즉, 두께는 1:1인 것이 바람직하다.

여기서 전단층(112)의 셀밀도가 200 cpsi보다 더 높으면 전단층(112)에서 완전 연소가 발생하여 전단과 후단의 온도 편차가 증가하게 되는 단점이 있다. 반면에 전단층(112)의 셀밀도가 50 cpsi보다 더 낮으면 전단층(112)에서의 연소 반응이 너무 느리게 되므로 이 또한 전단과 후단의 온도 편차가 크게 발생하게 된다.

한편 후단층(114)의 셀밀도가 800 cpsi보다 더 높으면 비록 후단층(114)에서의 완전 연소에는 이로우나 압력강하가 발생할 수 있어 적절하지 않다. 반면에 후단층(114)의 셀밀도가 200 cpsi보다 더 낮으면 완전 연소가 되지 않을 수도 있으므로 이 또한 부적절하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 촉매층의 셀밀도를 전단과 후단에서 서로 상이하게 설계한다는 특징을 제공한다. 이에 따라 전단과 후단에서 촉매 반응 속도가 상이하게 되고, 다시 말해서 전단에서는 반응 속도가 낮아지고 후단에서는 반응 속도가 상승하게 된다. 이에 의하여 촉매층의 전단과 후단에서의 온도 구배를 감소시켜 개질기로의 균일한 열전달이 가능하게 한다는 장점이 제공될 수 있다.

이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 명세서에서 설명된 여러 가지 특징을 참조하고 조합하여 다양한 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위가 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 함을 지적해둔다.

1 : 촉매 반응 연소기
10 : 반응부
11 : 촉매층
20 : 유입부
30 : 배출부
40 : 다공판층
41 : 단위 다공판
41a : 통공
110 : 이중 촉매층
112 : 전단층
114 : 후단층

Claims (4)

1. 촉매층(110)이 내장되어 있는 반응부(10)와, 상기 반응부의 일측에 마련되어 가스 상태의 반응물질이 유입되는 유입부(20)와, 상기 반응부의 타측에 마련되어 있어 상기 반응물질이 상기 촉매층(110)과 반응한 후 배출되는 배출부(30)를 포함하는 원통형 촉매 반응 연소기(1)에 있어서,
   상기 촉매층(110)은 두 개의 서로 다른 셀밀도를 가지는 이중층(112, 114)으로 이루어지되 상기 촉매층(110)은 반응물질이 유입되는 측의 전단층(112)과 유출되는 측의 후단층(114)으로 이루어지고,
   상기 전단층(112)의 셀밀도는 상기 후단층(114)의 셀밀도에 비하여 더 작은 것을 특징으로 하는 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전단층(112)의 셀밀도는 50 내지 200 cpsi(cell per square inch)이고, 상기 후단층(114)의 셀밀도는 200 내지 800 cpsi 인 것을 특징으로 하는 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 전단층(112) 및 후단층(114)은 개별 입자 형태의 촉매 셀들이 적층되어 형성되고, 상기 전단층(112)의 촉매 셀의 직경이 상대적으로 상기 후단층(114)의 촉매 셀의 직경보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기.
4. 제 1항에 있어서, 상시 전단층(112)과 후단층(114)의 두께 비는 1:1인 것을 특징으로 하는 이중 촉매층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기.
   

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