KR101265198B1 - 연료 개질장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질장치는, 제1 도관, 및 상기 제1 도관의 내부에 배치되는 제2 도관을 포함하는 본체와, 상기 제2 도관에 설치되어 이 제2 도관의 내부에서 소정의 연료를 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역에 개질 촉매를 충진 형성하여 상기 연료의 개질 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 본체를 감싸도록 설치되어 상기 열원부로부터 배출되는 상기 연료의 연소 가스를 상기 개질 반응부의 외측으로 유동시키는 하우징을 포함한다.
연료전지, 개질장치, 열원부, 개질반응부, 하우징, 열에너지, 유동경로, 온도분포

Description

연료 개질장치 {APPARATUS FOR REFORMING FUEL}
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질장치의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 결합 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 개질장치의 구성을 도시한 단면 구성도이다.
본 발명은 연료 개질장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열원부에서 발생되는 열 에너지의 열 전달 구조를 개선한 연료 개질장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화 수소 계열의 연료를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Membrane Fuel Cell)(당 업계에서는 통상적으로 "직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)" 라고도 한다.)로 구분될 수 있다.
이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지는 출력 특성이 탁월하며, 작동 온도가 낮고, 빠른 시동 및 응답 특성으로 인해 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
이와 같은 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템은 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 "스택" 이라 한다)와, 연료를 개질하여 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 스택으로 공급하는 연료 개질장치와, 산화제 가스를 스택으로 공급하기 위한 산화제 가스 공급장치를 구비한다. 따라서 스택에서는 연료 개질장치로부터 공급되는 개질 가스, 및 산화제 공급장치로부터 공급되는 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
이 중에서, 연료 개질장치는 연료를 직접적으로 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 이 열 에너지를 이용한 연료의 개질 반응에 의해 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하여 구성된다.
그런데, 종래의 연료 개질장치는 열원부에서 연료가 연소될 때 발생하는 비교적 고온의 연소 가스를 그대로 방출하게 되는 바, 이로 인해 연소 가스 자체의 열 에너지가 손실됨에 따라 초기 기동 시간이 길어지게 되고, 결과적으로는 전체 장치의 열 효율 및 성능 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로, 그 목적은 열원부에서 발생되는 연소 가스 자체의 열 에너지를 개질 반응부에 부가적으로 제공할 수 있는 연료 개질장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질장치는, 제1 도관, 및 상기 제1 도관의 내부에 배치되는 제2 도관을 포함하는 본체와, 상기 제2 도관에 설치되어 이 제2 도관의 내부에서 소정의 연료를 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역에 개질 촉매를 충진 형성하여 상기 연료의 개질 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 본체를 감싸도록 설치되어 상기 열원부로부터 배출되는 상기 연료의 연소 가스를 상기 개질 반응부의 외측으로 유동시키는 하우징을 포함한다.
상기 연료 개질장치는, 상기 하우징과 상기 제1 도관 사이의 영역에 상기 연소 가스를 유동시키는 유동 경로를 형성하여 이루어질 수 있다.
상기 연료 개질장치에 있어서, 상기 하우징은, 상기 유동 경로를 따라 유동하는 상기 연소 가스를 배출시키기 위한 적어도 하나의 배출구를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 하우징은 단열 소재로서 형성될 수 있다.
상기 연료 개질장치에 있어서, 상기 열원부는 상기 제2 도관의 일측 단부에 연결되게 설치되어 상기 연료를 공기와 함께 착화 연소시키는 토치부재를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 열원부는, 상기 토치부재에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제2 도관의 내부로 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 제2 도관의 다른 일 측 단부에 형성되어 상기 연소 가스를 상기 제1 도관과 상기 하우징 사이의 영역으로 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함할 수 있다.
상기 연료 개질장치에 있어서, 상기 열원부는, 상기 제2 도관의 내부에 산화 촉매를 충진 형성하여 상기 산화 촉매에 의한 상기 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어질 수도 있다. 이 경우 상기 열원부는, 상기 제2 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제2 도관의 내부로 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 제2 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연소 가스를 상기 제1 도관과 상기 하우징 사이의 영역으로 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함할 수 있다.
상기 연료 개질장치에 있어서, 상기 개질 반응부는, 상기 제1 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 연료를 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역으로 주입시키기 위한 제2 주입구와, 상기 제1 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구를 포함할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질장치의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 결합 단면 구성도이다.
이 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 개질장치(100)를 설명하 면, 이 연료 개질장치(100)는 산화제 가스와 함께 연료를 연소시켜 열을 발생시키고, 이 열을 이용한 연료의 개질 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다.
이러한 연료 개질장치(100)는, 개질 가스의 산화 반응 및 산화제 가스의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지로서 구성되는 스택으로 개질 가스를 제공하는 기능을 하게 된다.
본 장치(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 그리고 본 장치(100)는 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소를 사용할 수 있고, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자를 예로 하여 설명한다.
상술한 바와 같은 연료 개질장치(100)는, 공기와 함께 연료를 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 열원부(10)와, 이 열을 이용한 연료의 개질 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부(30)를 포함하여 구성된다.
이러한 개질장치(100)는 동심원을 갖는 이중 관로 형태의 본체(50)로서 구성되는 바, 이 본체(50)는 제1 도관(51)과, 제1 도관(51)의 내부에 배치되는 제2 도관(52)을 구비한다.
제1 도관(51)은 소정의 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 제2 도관(52)은 제1 도관(51)의 관로 단면적 보다 상대적으로 작은 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 이 때 제2 도관(52)은 이의 외주면과 제1 도관(51)의 내주면이 일정 간격 이격되도록 제1 도관(51)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다.
이와 같이 구성되는 개질장치(100)에 있어, 본 실시예에 의한 열원부(10)는 연료를 연소시켜 이 때 발생하는 열 에너지를 개질 반응부(30)에 제공하기 위한 것으로서, 제2 도관(52)의 일측 단부에 연결되게 설치되는 토치부재(11)를 구비한다. 이 토치부재(11)는 제2 도관(52)의 내부 공간에서 공기와 함께 연료를 착화 연소시키는 기능을 하게 된다.
이러한 토치부재(11)는 연료와 공기를 점화시키기 위한 통상적인 점화 플러그(도면에 도시하지 않음)를 설치하고 있으며, 연료와 공기를 제2 도관(52)의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구(13a)를 형성하고 있다. 이에 더하여, 열원부(10)는 제2 도관(52)의 내부 공간에서 연료와 공기가 연소될 때 발생되는 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구(13b)를 제2 도관(52)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다.
본 실시예에서, 개질 반응부(30)는 열원부(10)로부터 제공되는 열 에너지를 흡열하여 별도로 공급되는 연료의 개질 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키기 위한 것으로서, 제1 도관(51)과 제2 도관(52) 사이의 영역에 개질 촉매(31)를 충전 형성하여 이루어진다. 이러한 개질 촉매(31)는 연료의 개질 반응을 촉진시키기 위한 것으로, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루 어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt)과 같은 촉매 물질을 담지하여 형성될 수 있다.
이에 더하여, 개질 반응부(30)에는 제1 도관(51)과 제2 도관(52) 사이의 영역으로 연료를 주입시키기 위한 제2 주입구(33a)를 제1 도관(51)의 일측 단부에 형성하고 있다. 그리고 개질 반응부(30)는 제1 도관(51)과 제2 도관(52) 사이의 영역에서 개질 촉매(31)에 의한 연료의 개질 반응을 통해 발생되는 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구(33b)를 제1 도관(51)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다.
상기와 같이 구성되는 연료 개질장치(100)는 본체(50)를 감싸도록 설치되는 하우징(70)이 제공되는 바, 이 하우징(70)은 열원부(10)의 제1 배출구(13b)를 통해 배출되는 비교적 고온의 연소 가스를 개질 반응부(30)의 외측으로 유동시킴으로써 연소 가스 자체의 열 에너지를 개질 반응부(30)에 부가적으로 제공하는 기능을 하게 된다. 그리고 이러한 하우징(70)은 열원부(10)에 의해 본체(50)에 작용하는 열 에너지가 외부로 방출되지 않게 단열시키는 이른 바, 단열 케이스로서의 기능도 하게 된다.
본 실시예에서, 하우징(70)은 본체(50)를 수용하는 내부 공간을 가지면서 일측 단부가 개방되고 다른 일측 단부가 폐쇄된 원통형의 도관 형태로서 이루어지며, 상기 일측 단부의 개방단과 결합하여 상기 내부 공간을 밀봉시키는 밀봉 캡(71)을 포함하여 구성된다. 이 때, 밀봉 캡(71)은 본체(50)를 하우징(70)의 내부 공간에 수용한 상태에서, 제2 도관(52)의 일측 단부를 하우징(70)의 외부로 관통시킬 수 있는 환형의 플랜지 형태로서 구비된다.
여기서, 하우징(70)은 제1 도관(51) 및 제2 도관(52)에 대하여 동심원을 가지면서 이의 내주면과 제1 도관(51)의 외주면이 일정 간격으로 이격되게 설치되는 바, 제1 도관(51)의 관로 단면적 보다 큰 관로 단면적을 갖도록 구비된다. 이로써 하우징(70)은 열원부(10)의 제1 배출부(13b)를 통해 배출되는 연소 가스를 개질 반응부(30)의 외측으로 유동시킬 수 있는 유동 경로(73)를 형성할 수 있게 된다. 이 때, 하우징(70)은 열원부(10)에 의해 본체(50)에 작용하는 열 에너지를 단열시키기 위해, 열전도도가 작은 단열 소재 예컨대, 스테인레스 강, 지르코늄, 알루미늄 등과 같은 금속 단열 소재 또는 세라믹 등과 같은 비금속 단열 소재로서 형성될 수 있다.
이에 더하여, 하우징(70)은 언급한 바 있는 유동 경로(73)를 통해 순환하는 연소 가스를 배출시키기 위한 적어도 하나의 배출구(75)를 이의 개방단 측에 형성하고 있다. 이러한 배출구(75)는 하우징(70)의 내부 중심을 기준으로 할 때, 하우징(70)의 개방단 측에 방사상으로서 형성되며, 바람직하게는 하우징(70)의 개방단 측에 90°간격으로 4개가 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 개질장치(100)의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료와 공기는 토치부재(11)의 제1 주입구(13a)를 통해 제2 도관(52)의 내부 공간으로 공급된다.
이 상태에서, 점화 플러그(도면에 도시하지 않음)를 작동시키게 되면, 열원부(10)에서는 연료와 공기가 제2 도관(52)의 내부 공간으로 분산되면서 점화 플러 그의 작동에 의해 착화되고, 제2 도관(52)의 내부 공간에서 연소되면서 열 에너지를 발생시키게 된다. 따라서, 개질 반응부(30)가 열원부(10)의 외측에 형성되고 있기 때문에, 상기한 열 에너지는 제2 도관(52)을 통해 개질 반응부(30)의 개질 촉매(31)에 제공된다.
이러는 과정을 거치는 동안, 제2 도관(52)의 내부에서 연료와 공기가 연소될 때 발생하는 비교적 고온의 연소 가스는 열원부(10)의 제1 배출구(13b)를 통해 배출되게 된다.
이어서, 상기 연소 가스는 도면에 화살표로 표시한 바와 같이, 제1 도관(51)과 하우징(70) 사이의 유동 경로(73)를 따라 개질 반응부(30)의 외측으로 순환되면서 이 연소 가스 자체의 열 에너지를 개질 반응부(30)에 대하여 부가적으로 제공하게 된다. 따라서, 개질 반응부(30)는 열원부(10)로부터 직접적으로 제공되는 열 에너지, 및 연소 가스 자체의 열 에너지를 제공받아 전 영역에 대해 연료의 개질 반응에 필요한 반응 개시 온도 범위로서 고른 온도 분포를 유지하게 된다. 이 때, 유동 경로(73)를 따라 순환하는 연소 가스는 하우징(70)의 배출구(75)를 통해 외부로 배출되게 된다.
이 상태에서, 연료는 개질 반응부(30)의 제1 주입구(33a)를 제1 도관(51)과 제2 도관(52) 사이의 영역으로 공급된다. 그러면, 개질 반응부(30)에서는 개질 촉매(31)에 의한 연료의 개질 반응이 진행되어 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시킨다. 이 때, 개질 가스는 개질 반응부(30)의 제2 배출구(33b)를 통해 배출되어 고분자 전해질형 연료 전지로서 구성되는 스택으로 공급되는 바, 이 스택에서는 개질 가스 중에 함유된 수소의 산화 반응, 및 별도로 공급되는 공기의 환원 반응이 진행되어 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.
도 3은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 개질장치의 구성을 도시한 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 개질장치(200)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 제2 도관(152)의 내부에 산화 촉매(115)를 충진 형성하여 이루어지는 열원부(110)를 구성할 수 있다.
이러한 열원부(110)는 산화 촉매(115)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다. 이 열원부(110)는 제2 도관(152)의 일측 단부에 형성되어 연료와 공기를 제2 도관(152)의 내부로 주입시키기 위한 제1 주입구(113a)와, 제2 도관(152)의 다른 일측 단부에 형성되어 산화 촉매(115)에 의해 연료와 공기가 연소될 때 발생하는 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구(113b)를 구비한다.
여기서, 산화 촉매(115)는 연료와 공기의 산화 반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 백금(Pt), 루테늄(Ru)과 같은 촉매 물질을 담지하여 형성될 수 있다.
따라서, 상기와 같이 구성되는 연료 개질장치(200)의 작용시, 열원부(110)의 제1 주입구(113a)를 통해 연료와 공기를 제2 도관(152)의 내부로 공급하게 되면, 열원부(110)에서는 산화 촉매(115)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키게 된다. 그리고, 산화 촉매(115)에 의해 연료와 공기가 연소될 때 발생하는 연소 가스는 열원부(110)의 제1 배출구(113b)를 통해 배출되게 된다.
본 실시예에 의한 연료 개질장치(200)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 열원부에서 배출되는 연소 가스를 개질 반응부와 하우징 사이의 유동 경로를 통해 순환시키는 구조로서 이루어지므로, 연소 가스 자체의 열 에너지를 개질 반응부에 부가적으로 제공할 수 있게 된다. 따라서, 개질 반응부의 전 영역에 대해 개질 반응에 필요한 반응 개시 온도 범위로서 고른 온도 분포를 유지시킬 수 있게 되므로, 장치의 초기 기동 시간을 단축시킬 수 있으며, 결과적으로는 전체 장치의 열 효율 및 성능 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (9)

  1. 제1 도관, 및 상기 제1 도관의 내부에 배치되는 제2 도관을 포함하는 본체;
    상기 제2 도관에 설치되어 이 제2 도관의 내부에서 소정의 연료를 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 열원부;
    상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 상기 제1 도관의 상기 내부에서 상기 제2 도관이 차지하는 부분을 제외한 나머지 영역에 개질 촉매를 충진 형성하여 상기 연료의 개질 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및
    상기 본체를 감싸도록 설치되어 상기 열원부로부터 배출되는 상기 연료의 연소 가스를 상기 개질 반응부의 외측으로 유동시키는 하우징을 포함하고,
    상기 하우징과 상기 제1 도관 사이의 영역에 상기 연소 가스를 유동시키는 유동 경로가 형성되며,
    상기 열원부는 상기 제2 도관의 일 측 단부에 연결되게 설치되어 상기 연료를 공기와 함께 착화 연소시키는 토치부재, 상기 토치부재에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제2 도관의 내부로 주입시키기 위한 제1 주입구 및 상기 제2 도관의 다른 일 측 단부에 형성되어 상기 연소 가스를 상기 제1 도관과 상기 하우징 사이의 유동경로로 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함하는 연료 개질장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 하우징은, 상기 유동 경로를 따라 유동하는 상기 연소 가스를 배출시키기 위한 적어도 하나의 배출구를 포함하는 연료 개질장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 하우징이 단열 소재로서 이루어지는 연료 개질장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 열원부는,
    상기 제2 도관의 내부에 산화 촉매를 충진 형성하여 상기 산화 촉매에 의한 상기 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어지는 연료 개질장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 열원부는,
    상기 제2 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제2 도관의 내부로 주입시키기 위한 제1 주입구와,
    상기 제2 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연소 가스를 상기 제1 도관과 상기 하우징 사이의 영역으로 배출시키기 위한 제1 배출구
    를 포함하는 연료 개질장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 개질 반응부는,
    상기 제1 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 연료를 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역으로 주입시키기 위한 제2 주입구와,
    상기 제1 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구
    를 포함하는 연료 개질장치.
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