KR101270790B1 - 전처리 어셈블리와 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

황과 탄화수소를 포함하는 연료전지용 연료를 전처리하는 전처리 어셈블리는, 연료전지용 연료 중의 탄화수소를 수소로 개질하는 예비 개질기, 예비 개질기의 적어도 일부를 에워싸고 소정의 열을 발산하는 히터, 및 예비 개질기와 히터를 에워싸고 연료전지용 연료 중의 황을 탈황하는 탈황기를 포함하며, 상기 연료전지용 연료는 탈황기를 통과한 다음에 예비 개질기를 통과하고, 상기 히터는 예비 개질기와 탈황기를 가열한다.

Description

전처리 어셈블리와 이를 포함하는 연료전지 시스템{PRE-PROCESSING ASSEMBLY AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전처리 어셈블리와 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 연료전지 시스템의 공간 활용도를 향상시킬 수 있고 연료전지 시스템의 구조를 단순화시킬 수 있는 전처리 어셈블리와 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 즉, 연료전지는 연료극에서의 수소 산화반응과 공기극에서의 산소 환원반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 이러한 반응을 위해 연료전지의 연료극에는 수소를 공급할 필요가 있다. 그리고 이러한 수소는 통상적으로 LNG와 같은 연료전지용 연료 중의 탄화수소를 개질하여 얻을 수 있다. 다만, LNG와 같은 연료전지용 연료는 통상적으로 황을 포함하고 있는데, 이러한 황은 개질 촉매에 영향을 미쳐 개질 성능을 저하시키므로, 개질 전에 연료전지용 연료 중의 황을 제거할 필요가 있다.
이에 따라 통상의 고온형 연료전지 시스템은 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이 연료전지용 연료 중의 황을 제거하는 탈황기(10), 연료전지용 연료 중의 탄화수소를 수소로 개질하는 예비 개질기(20), 예비 개질기(20)로 고온의 수증기를 공급하는 가습기(30) 등을 포함한다. 그런데 현재의 탈황기는 통상 상온에서 탈황이 이루어지는 상온 흡착 방식을 따르고 있다. 이러한 상온 흡착 방식은 상온에서 탈황이 이루어지기 때문에 온도를 높이기 위한 별도의 장치가 불필요하다는 장점이 있는데 반해, 황의 제거 성능이 떨어지고 촉매의 교체 주기가 매우 짧다는 단점이 있다. 뿐만 아니라 현재 연료전지용 연료로서 LPG, 등유 등과 같은 다양한 연료가 사용되고 있는데, 이러한 연료들은 상온 흡착 방식으로 황이 잘 제거되지 않는다는 문제도 있다.
이러한 단점들을 제거하기 위해, 즉 황의 제거 성능을 향상시키고, 촉매의 교체 주기를 늘리며, 다양한 연료 중의 황을 제거하기 위해 수첨 탈황 방식의 탈황기가 대두되고 있다. 그러나 이러한 수첨 탈황 방식의 경우에는 탈황을 위해 대략 250~400 ℃의 고온이 요구되기 때문에 별도의 가열 장치가 필요하고, 또한 수소의 공급을 위한 별도의 장치가 필요하다. 이에 따라 연료전지 시스템에 수첨 탈황 방식의 탈황기를 적용하면, 연료전지 시스템의 공간 활용도가 떨어지고 연료전지 시스템의 구조가 복잡해진다는 문제가 발생한다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 연료전지 시스템의 공간 활용도를 향상시킬 수 있고 연료전지 시스템의 구조를 단순화시킬 수 있는 전처리 어셈블리와 이를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 황과 탄화수소를 포함하는 연료전지용 연료를 전처리하는 전처리 어셈블리는, 연료전지용 연료 중의 탄화수소를 수소로 개질하는 예비 개질기, 예비 개질기의 적어도 일부를 에워싸고 소정의 열을 발산하는 히터, 및 예비 개질기와 히터를 에워싸고 연료전지용 연료 중의 황을 탈황하는 탈황기를 포함하며, 상기 연료전지용 연료는 탈황기를 통과한 다음에 예비 개질기를 통과하고, 상기 히터는 예비 개질기와 탈황기를 가열한다. 여기서 상기 탈황기는 상기 연료전지용 연료 중의 황을 수소화 반응에 의해 제거하는 수첨 탈황기일 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 전처리 어셈블리는 상기 탈황기의 적어도 일부를 에워싸고 소정의 열을 발산하는 보조 히터를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 탈황기의 내부는 상기 탈황기의 일면으로부터 그 반대면을 향해 연장하는 배플에 의해 제1 탈황 영역과 제2 탈황 영역으로 분리될 수 있고, 상기 연료전지용 연료는 상기 제1 탈황 영역과 상기 제2 탈황 영역을 순차적으로 지나 상기 탈황기의 내부를 U 자 형으로 유동할 수 있다. 여기서 상기 배플은 소정의 열을 발산하는 보조 히터를 포함할 수 있다. 그리고 상기 제1 탈황 영역과 상기 제2 탈황 영역에는 서로 다른 탈황제가 도포될 수 있다. 한편, 상기 탈황기는 연료극과 공기극을 포함하는 연료전지 스택의 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스의 적어도 일부를 공급받을 수 있다.
그리고 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 연료극과 공기극을 포함하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택으로 황과 탄화수소를 포함하는 연료전지용 연료를 전처리하여 공급하는 전처리 어셈블리를 포함하고, 전처리 어셈블리는 연료전지용 연료 중의 탄화수소를 수소로 개질하는 예비 개질기와, 예비 개질기의 적어도 일부를 에워싸고 소정의 열을 발산하는 히터와, 예비 개질기와 히터를 에워싸고 연료전지용 연료 중의 황을 탈황하는 탈황기를 구비하며, 연료전지용 연료는 탈황기를 통과한 다음에 예비 개질기를 통과하고, 히터는 예비 개질기와 탈황기를 가열한다.
여기서 상기 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스의 적어도 일부는 상기 탈황기로 공급될 수 있다. 또는 상기 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스의 적어도 일부는 열교환을 통해 상온으로 냉각되면서 수분이 제거된 다음에 상기 탈황기로 공급될 수 있다. 또한 상기 연료전지용 연료는 상기 예비 개질기로부터 배출되는 배출가스와 열교환을 하여 예열된 다음에 상기 탈황기로 공급될 수 있다. 그리고 상기 연료전지 스택은 상기 연료전지용 연료 중의 탄화수소를 내부적으로 수소로 개질하는 내부 개질기를 더 포함할 수 있고, 상기 내부 개질기로부터 배출되는 배출가스의 적어도 일부는 상기 탈황기로 공급될 수 있다. 또한 상기 예비 개질기로부터 배출되는 배출가스의 적어도 일부는 상기 탈황기로 공급될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 상기 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스와의 열교환을 통해 물을 기화시켜 수증기를 발생시키는 가습기를 더 포함할 수 있고, 상기 가습기에 의해 발생한 수증기는 상기 탈황기를 통과한 연료전지용 연료와 함께 상기 예비 개질기로 공급될 수 있다. 그리고 전술한 히터는 상기 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스의 적어도 일부를 공급받아 소정의 열을 발산할 수 있다. 또한 상기 탈황기는 상기 연료전지용 연료 중의 황을 수소화 반응에 의해 제거하는 수첨 탈황기일 수 있다.
본 발명에 따른 전처리 어셈블리와 이를 포함하는 연료전지 시스템은 탈황기와 예비 개질기가 일체로 형성되고 그 사이에 탈황기와 예비 개질기를 함께 가열하는 히터가 구비되기 때문에, 탈황과 개질에 필요한 공간을 최소화할 수 있어 연료전지 시스템의 공간 활용도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전처리 어셈블리에 히터가 일체로 구비되고 연료전지 시스템의 기존 구성으로부터 탈황기로 수소가 공급되기 때문에, 가열과 수소의 공급을 위한 별도의 장치를 전처리 어셈블리의 외부에 별도로 구비할 필요가 없어 연료전지 시스템의 구조를 단순화시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전처리 어셈블리를 도시하고 있는 개념도
도 2는 도 1의 전처리 어셈블리의 변형예를 도시하고 있는 개념도
도 3은 도1의 전처리 어셈블리를 포함하고 있는 연료전지 시스템을 도시하고 있는 개념도
도 4는 도 3의 연료전지 시스템의 변형예를 도시하고 있는 개념도
도 5는 도 3의 연료전지 시스템의 다른 변형예를 도시하고 있는 개념도
도 6은 종래의 연료전지 시스템을 도시하고 있는 개념도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있다. 그리고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전처리 어셈블리를 도시하고 있는 개념도(단면도)이다. 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 전처리 어셈블리(110)는 예비 개질기(112), 히터(116), 및 탈황기(114)를 포함한다. 이러한 구성의 전처리 어셈블리(110)는 황과 탄화수소를 포함하는 연료전지용 연료를 전처리한다. 보다 상술하면, 연료전지용 연료는 탈황기(114)를 통과하면서 황이 제거되고, 예비 개질기(112)를 통과하면서 탄화수소가 수소로 개질된다. 이렇게 전처리된 연료전지용 연료는 연료극(anode)과 공기극(cathode)을 포함하는 연료전지 스택(140)으로 공급된다(도 3, 4 참조).
상기 탈황기(114)는 수첨(水添) 탈황 반응으로 황을 제거하는 수첨 탈황기인 것이 바람직하다. 수첨 탈황 반응은 통상적으로 황을 수소와 반응시켜 황화수소(H2S)를 발생시키는 방식으로 탈황하는 반응으로 설명할 수 있다. 이러한 수첨 탈황 반응은 그 반응 온도가 통상 250~400 ℃ 정도로 매우 고온이다. 그리고 개질 반응은 메탄을 수증기 개질(steam reforming)하는 경우에 'CH4 + H20 → CO + 3H2 (ΔH298 = 206 kJ/mol)'라는 반응식으로 나타낼 수 있다. 이러한 개질 반응도 그 반응 온도가 통상 300~400 ℃ 정도이다. 이와 같이 수첨 탈황과 개질을 위해서는 온도를 대략 250 ℃ 이상으로 높일 필요가 있다. 이를 위해 본 실시예에 따른 전처리 어셈블리(110)는 소정의 열을 발산하는 히터(116)를 구비한다. 히터(116)의 작동에 대해서는 후술하도록 한다.
전술한 탈황기(114)와 예비 개질기(112)는 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 일체로 형성된다. 즉, 본 실시예에 따른 전처리 어셈블리(110)는 탈황기(114)가 예비 개질기(112)를 감싸는 형태로 형성된다. 이와 같이 전처리 어셈블리(110)가 형성되면, 연료전지 시스템의 공간 활용도가 향상될 수 있다. 다시 말해, 연료전지 시스템에서 탈황과 개질에 필요한 공간을 최소화할 수 있기 때문에 연료전지 시스템의 공간 활용도를 향상시킬 수 있다. 이러한 예로 예비 개질기(112)를 중공의 원기둥 형태로 형성하고 탈황기(114)를 예비 개질기를 감싸는 중공의 원기둥 형태로 형성하는 것을 들 수 있다. 이와 같이 형성하면 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 탈황기(114)의 측면과 예비 개질기(112)의 측면 사이의 공간을 통해, 그리고 예비 개질기(112) 내부의 공간을 통해 연료전지용 연료가 유동할 수 있다.
또한 탈황기(114)와 예비 개질기(112) 사이에 히터(116)를 설치하면, 공간 활용도를 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 탈황기(114)와 예비 개질기(112) 사이에 히터(116)를 설치하면, 하나의 히터(116)만으로도 탈황기(114)와 예비 개질기(112) 모두를 가열할 수 있기 때문에, 탈황기(114)를 가열하는 히터와 예비 개질기(112)를 가열하는 히터(116)를 각각 구비할 때보다 공간 활용도가 향상될 수 있다. 여기서 상기 히터(116)는 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 히터(116)는 예비 개질기(112)의 외부를 감싸는 재킷이나 코일 형태를 가질 수 있다. 또는 후술할 바와 같이, 연료전지 스택(140)의 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스의 적어도 일부를 공급받아 열을 발산하는 형태의 히터가 사용될 수도 있다. 이러한 형태의 히터에 대해서는 뒤에서 보다 자세히 설명하기로 한다.
한편, 탈황기(114)의 내부는 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 연료전지용 연료가 직선으로 유동하도록 형성될 수도 있으나, 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 U 자 형으로 유동하도록 형성될 수도 있다. 도 2는 도 1의 전처리 어셈블리의 변형예를 도시하고 있는 개념도(단면도)이다. 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 연료전지용 연료가 탈황기(214)의 내부에서 U 자 형으로 유동하기 위해서는 탈황기(214)의 내부를 제1 탈황 영역(2141)과 제2 탈황 영역(2142)으로 분리하는 배플(215)이 필요하다. 보다 상술하면, 본 실시예에 따른 배플(215)은 탈황기(214)의 일면(도 2를 기준으로 하면)으로부터 그 반대면(도 2를 기준으로 상면)을 향해 연장한다. 이러한 배플(215)로 인해 탈황기(214)의 일면(도 2를 기준으로 하면)에는 연료전지용 연료를 위한 입구 포트와 출구 포트가 함께 형성된다. 그리고 이러한 배플(215)은 연료전지용 연료가 내부에서 그 흐름의 방향을 바꿀 수 있도록 탈황기(214)보다 짧은 길이를 가진다. 이에 따라 배플(215)의 말단과 탈황기(214) 사이의 공간을 통해 연료전지용 연료가 그 흐름의 방향을 바꿀 수 있다.
이와 같이 U 자 형으로 탈황기(214)의 내부를 형성하면, 제1 탈황 영역(2141)과 제2 탈황 영역(2142)에 서로 다른 탈황제를 도포하여 탈황기(214)의 탈황 성능을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 연료전지용 연료가 먼저 통과하는 제1 탈황 영역(2141)에는 연료전지용 연료 중의 황을 황화수소(H2S)로 만드는 제1 탈황제가 도포되고, 제2 탈황 영역(2142)에는 제1 탈황 영역에서 만들어진 황화수소를 분리하여 흡착하는 제2 탈황제가 도포될 수 있다. 이와 같이 단계적으로 탈황 반응을 일으키면 탈황 성능이 보다 향상될 수 있다. 참고로 탈황기(214)와 예비 개질기(112)가 중공의 원기둥 형태를 가질 경우, 배플(215)도 중공의 원기둥 형태를 가질 수 있다. 이와 같은 형태를 가지면, 하나의 탈황 영역(2142)은 배플(215)과 예비 개질기(112)의 측면 사이에서 예비 개질기(112)를 감싸는 중공의 원기둥 형태로 나타날 수 있고, 다른 하나의 탈황 영역(2141)은 탈황기(214)의 측면과 배플(215) 사이에서 중공의 원기둥 형태로 나타날 수 있다.
이하에서는 전술한 전처리 어셈블리(110)를 포함한 연료전지 시스템을 도 3을 참조하여 상술한다. 도 3은 도 1의 전처리 어셈블리를 포함하고 있는 연료전지 시스템을 도시하고 있는 개념도이다. LNG와 같은 연료전지용 연료는 우선 탈황기(114)로 공급되어 탈황된다. 여기서 탈황기(114)가 수첨 탈황기인 경우에는 수소화 반응을 위해 수소의 공급이 필요하다. 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 이러한 수소의 공급을 위한 별도의 구성을 구비하고 있지 않다. 즉, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 시스템 내의 다른 구성을 통해 수소를 탈황기(114)로 공급한다.
보다 상술하면, 연료전지 스택(140)의 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스는 수소를 포함하고 있는 수소혼합가스이다. 이러한 수소혼합가스는 통상 촉매 연소기(Catalytic combustor)로 공급된다. 그러나 본 실시예에 따른 연료전지 시스템에서는 이러한 연료극 배기가스의 일부를 탈황기(114)로 공급한다. 이와는 다르게 예비 개질기(112)로부터 배출되는 배출가스의 적어도 일부를 탈황기(114)로 공급할 수도 있다. 예비 개질기(112)로부터 배출되는 배출가스도 수소를 포함하고 있는 수소혼합가스이기 때문이다. 이러한 수소혼합가스는 통상 연료전지 스택(140)의 연료극으로 공급되나, 위와 같이 그 일부를 탈황기(114)로 공급할 수도 있다. 또는 연료전지 스택(140)이 연료전지용 연료 중의 탄화수소를 내부적으로 수소로 개질하는 내부 개질기(미도시)를 더 포함할 경우에는, 내부 개질기로부터 배출되는 배출가스의 적어도 일부를 탈황기(114)로 공급할 수도 있다. 내부 개질기로부터 배출되는 배출가스도 수소를 포함하고 있는 수소혼합가스이기 때문이다.
이와 같이 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소의 공급을 위한 별도의 구성을 구비하고 있지 않기 때문에 연료전지 시스템의 구조를 보다 단순화시킬 수 있다는 장점이 있다. 참고로 탈황기(114)로 공급되는 수소혼합가스의 유량은 탈황기(114)로 공급되는 수소의 유량이 탈황기(114)로 공급되는 연료전지용 연료의 유량의 2% 내외로 되도록 조절되는 것이 바람직하다. 그리고 각 구성으로부터 배기되는 수소혼합가스가 일정한 압력으로 탈황기(114)로 공급되어야 하는 경우에는 수소혼합가스를 탈황기(114)로 강제로 공급하는 펌프와 같은 구성을 시스템 내에 더 구비할 수도 있다.
그런데 전술한 수소혼합가스가 일정량의 수분을 포함하고 있을 경우에는 탈황기(114)의 탈황 성능을 저하시킬 수 있다. 이에 따라 수소혼합가스를 탈황기(114)로 공급하기 전에 그 수분을 제거하는 것이 바람직하다. 이를 위해 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 열교환기(160)를 더 포함할 수 있다. 도 4는 도 3의 연료전지 시스템의 변형예를 도시하고 있는 개념도이다. 연료극 배기가스는 통상 600 ℃ 이상의 고온이다. 이러한 고온의 배기가스를 열교환기(160) 내에서 상온의 냉매와 열교환시켜 상온으로 냉각시키면, 수분을 액상의 형태로 제거할 수 있다. 그리고 예비 개질기(112)로부터 배출되는 배출가스도 350 ℃ 이상의 고온이기 때문에, 위와 유사한 형태의 열교환기를 예비 개질기(112)의 후단에 설치하여 배출가스 중의 수분을 제거한 다음에 탈황기(110)로 배출가스를 공급할 수도 있다. 또는 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이 열교환기(170) 내에서 예비 개질기(112)로부터 배출되는 배출가스와 열교환을 하여 연료전지용 연료를 예열한 다음에 예열된 연료전지용 연료를 탈황기로 공급할 수 있다. 도 5는 도 3의 연료전지 시스템의 다른 변형예를 도시하고 있는 개념도이다.
도 4에서 상온의 냉매로는 통상의 수돗물을 사용할 수 있다. 이와 같이 수돗물을 사용할 경우에는 고온의 배기가스와의 열교환을 통해 가열된 수돗물을 여러 형태로 다시 사용할 수도 있다. 예를 들어, 가열된 수돗물의 온도가 60~90 ℃인 경우에는 가열된 수돗물을 통상의 온수로 사용할 수도 있고, 가열된 수돗물의 온도가 90 ℃ 이상일 경우에는 가열된 수돗물을 냉난방 장치의 열원으로 사용할 수도 있다. 이와 같이 구성하면 연료전지 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고 위와 같은 열교환을 통해 얻어진 (또는 제거된) 액상의 수분은 다시 후술할 가습기(130)로 공급되어 개질 반응에 필요한 수분으로 재사용될 수도 있다.
위와 같이 수소혼합가스는 수첨 탈황을 위한 수소 공급을 위해 탈황기(114)로 공급된다. 연료전지용 연료는 이러한 수소와 반응하여 탈황기(114)에서 탈황된다. 그런 다음, 연료전지용 연료는 예비 개질기(112)에서 개질된다. 이러한 개질을 위해서는 예비 개질기(112)로 고온의 수증기가 공급되어야 한다. 이를 위해 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 물을 기화시켜 수증기를 발생시키는 가습기(130)를 더 포함한다. 본 실시예에 따른 가습기(130)는 물의 기화를 위해 연료전지 스택(140)의 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스를 이용한다. 공기극 배기가스는 매우 고온이기 때문에 가습기(130) 내에서 물과 열교환하여 물을 기화시킬 수 있다.
이러한 열교환 후에도 공기극 배기가스는 매우 고온을 유지하기 때문에, 가습기(130)의 후단에 HRU(heat recovery unit, 150)를 설치하면, 온수나 냉난방 장치의 열원을 얻을 수도 있다. 즉, 전술한 열교환기(160)와 유사하게 HRU (150)에서 통상의 수돗물을 공기극 배기가스와의 열교환을 통해 가열시킨 다음, 온수로 사용하거나 냉난방 장치의 열원으로 사용할 수도 있다. 또는 이러한 공기극 배기가스를 전술한 히터의 열원으로 사용할 수도 있다. 즉, 공기극 배기가스의 일부를 가습기(130) 통과 전이나 통과 후에 히터(116)로 공급하여 탈황기(114)와 예비 개질기(112)를 가열할 수 있다. 이를 위해 히터를 예비 개질기(112)를 감싸는 파이프 형태로 구성할 수도 있다. 이러한 경우 공기극 배기가스는 파이프의 내부를 통과하며 탈황기(114)와 예비 개질기(112)를 가열할 수 있을 것이다.
연료전지용 연료는 위와 같이 탈황 과정과 개질 과정을 거친 다음에 연료전지 스택(140)으로 공급된다. 이러한 탈황 과정과 개질 과정은 전술한 바와 같이 열의 공급이 필요하다. 이를 위해 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 시스템이 기동되면, 우선 전술한 히터(116)를 통해 탈황기(114)와 예비 개질기(112)를 가열한다. 그러나 이러한 히터(116)의 작동은 연료전지 시스템의 정상 운전 중에는 불필요할 수 있다. 보다 상술하면, 전술한 가습기(130)로부터 생성되는 수증기는 통상 300 ℃ 이상의 고온을 가진다. 이에 따라 고온의 수증기가 예비 개질기(112)로 공급되기 시작하면, 개질 반응에 필요한 열은 고온의 수증기로부터 공급받을 수 있다(탈황기를 통과한 연료전지용 연료도 통상 고온이기 때문에, 탈황기를 통과한 연료전지용 연료도 수증기와 함께 예비 개질기로 열을 공급할 수 있다). 그리고 개질 반응 자체도 고온에서 일어나기 때문에, 예비 개질기(112)를 감싸고 있는 탈황기(114)는 연료전지 시스템의 정상 운전 중에는 예비 개질기(112)로부터 필요한 열을 공급받을 수 있다.
결국, 연료전지 시스템의 기동 시에는 탈황기(114)와 예비 개질기(112)를 가열하기 위해 히터(116)를 작동시켜야 하나, 연료전지 시스템의 정상 운전 시에는 히터(116)를 작동시키지 않을 수 있다. 그리고 탈황기(114)와 예비 개질기(112)의 가열이 보다 빠르게 일어나도록 하기 위해, 본 실시예에 따른 전처리 어셈블리에는 보조 히터가 더 구비될 수도 있다. 이에 대해 보다 상술하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 탈황기(114)의 적어도 일부를 에워싸고 소정의 열을 발산하는 보조 히터(118)를 더 포함할 수 있다. 또는 전술한 배플(215)이 소정의 열을 발산하는 보조 히터(218)를 포함할 수 있다(이 경우 보조 히터 자체가 배플일 수도 있고, 또는 배플과는 별도로 배플을 감싸는 보조 히터가 구비될 수도 있다).
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 전처리 어셈블리 112: 예비 개질기
114: 탈황기 116: 히터
118: 보조 히터 130: 가습기
140: 연료전지 스택 150: HRU

Claims (16)

  1. 황과 탄화수소를 포함하는 연료전지용 연료를 전처리하는 전처리 어셈블리에 있어서,
    상기 연료전지용 연료 중의 탄화수소를 수소로 개질하는 예비 개질기;
    상기 예비 개질기의 적어도 일부를 에워싸고 소정의 열을 발산하는 히터; 및
    상기 예비 개질기와 상기 히터를 에워싸고 상기 연료전지용 연료 중의 황을 탈황하는 탈황기를 포함하며,
    상기 연료전지용 연료는 상기 탈황기를 통과한 다음에 상기 예비 개질기를 통과하고, 상기 히터는 상기 예비 개질기와 상기 탈황기를 가열하는 것을 특징으로 하는 전처리 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈황기는 상기 연료전지용 연료 중의 황을 수소화 반응에 의해 제거하는 수첨(水添) 탈황기인 것을 특징으로 하는 전처리 어셈블리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈황기의 적어도 일부를 에워싸고 소정의 열을 발산하는 보조 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전처리 어셈블리.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈황기의 내부는 상기 탈황기의 일면으로부터 그 반대면을 향해 연장하는 배플(baffle)에 의해 제1 탈황 영역과 제2 탈황 영역으로 분리되고, 상기 연료전지용 연료는 상기 제1 탈황 영역과 상기 제2 탈황 영역을 순차적으로 지나 상기 탈황기의 내부를 U 자 형으로 유동하는 것을 특징으로 하는 전처리 어셈블리.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 배플은 소정의 열을 발산하는 보조 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전처리 어셈블리.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 탈황 영역과 상기 제2 탈황 영역에는 서로 다른 탈황제가 도포되는 것을 특징으로 하는 전처리 어셈블리.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈황기는 연료극과 공기극을 포함하는 연료전지 스택의 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스의 적어도 일부를 공급받는 것을 특징으로 하는 전처리 어셈블리.
  8. 연료극과 공기극을 포함하는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택으로 황과 탄화수소를 포함하는 연료전지용 연료를 전처리하여 공급하는 전처리 어셈블리를 포함하고,
    상기 전처리 어셈블리는 상기 연료전지용 연료 중의 탄화수소를 수소로 개질하는 예비 개질기와, 상기 예비 개질기의 적어도 일부를 에워싸고 소정의 열을 발산하는 히터와, 상기 예비 개질기와 상기 히터를 에워싸고 상기 연료전지용 연료 중의 황을 탈황하는 탈황기를 구비하며,
    상기 연료전지용 연료는 상기 탈황기를 통과한 다음에 상기 예비 개질기를 통과하고, 상기 히터는 상기 예비 개질기와 상기 탈황기를 가열하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스의 적어도 일부는 상기 탈황기로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스의 적어도 일부는 열교환을 통해 상온으로 냉각되면서 수분이 제거된 다음에 상기 탈황기로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료전지용 연료는 상기 예비 개질기로부터 배출되는 배출가스와 열교환을 하여 예열된 다음에 상기 탈황기로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료전지 스택은 상기 연료전지용 연료 중의 탄화수소를 내부적으로 수소로 개질하는 내부 개질기를 더 포함하고, 상기 내부 개질기로부터 배출되는 배출가스의 적어도 일부는 상기 탈황기로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 예비 개질기로부터 배출되는 배출가스의 적어도 일부는 상기 탈황기로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스와의 열교환을 통해 물을 기화시켜 수증기를 발생시키는 가습기를 더 포함하고, 상기 가습기에 의해 발생한 수증기는 상기 탈황기를 통과한 연료전지용 연료와 함께 상기 예비 개질기로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 청구항 8에 있어서,
    상기 히터는 상기 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스의 적어도 일부를 공급받아 소정의 열을 발산하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  16. 청구항 8에 있어서,
    상기 탈황기는 상기 연료전지용 연료 중의 황을 수소화 반응에 의해 제거하는 수첨 탈황기인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005089255A (ja) 2003-09-18 2005-04-07 Air Water Inc 水素発生装置および方法
JP2006076802A (ja) 2004-09-07 2006-03-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 水素生成装置およびこれを備えた燃料電池システム並びに水素生成方法
JP2009256120A (ja) 2008-04-14 2009-11-05 T Rad Co Ltd 改質装置
KR20100046433A (ko) * 2008-10-27 2010-05-07 한국과학기술원 고체산화물 연료전지의 연료 개질을 위한 통합반응기

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005089255A (ja) 2003-09-18 2005-04-07 Air Water Inc 水素発生装置および方法
JP2006076802A (ja) 2004-09-07 2006-03-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 水素生成装置およびこれを備えた燃料電池システム並びに水素生成方法
JP2009256120A (ja) 2008-04-14 2009-11-05 T Rad Co Ltd 改質装置
KR20100046433A (ko) * 2008-10-27 2010-05-07 한국과학기술원 고체산화물 연료전지의 연료 개질을 위한 통합반응기

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