KR101305805B1 - 버너 연소가스를 이용한 연료전지용 개질기의 운전 방법 및 연료전지용 개질 시스템 - Google Patents
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Abstract
별도의 예열 장치 없이, 버너 연소가스를 이용하여 연료전지용 개질기 운전 초기에 CO 변성부 및 CO 제거부를 예열할 수 있는 연료전지용 개질기의 운전 방법 및 연료전지용 개질 시스템에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 연료전지용 개질기의 운전 방법은 탄화수소계 연료와 H2O가 반응하여 H2를 생성하는 고온개질부와, 상기 고온개질부에서 불가피하게 생성되는 CO를 변성시키는 CO 변성부와, 상기 CO 변성 후 잔류하는 CO를 제거하는 CO 제거부와, 탄화수소계 연료를 연소시켜 발생하는 열을 상기 고온개질부로 전달하는 버너부를 구비하는 연료전지용 개질기의 운전 초기에, 상기 버너부에서 발생하는 연소 가스를 상기 CO 변성부 또는 CO 제거부와 열교환시켜 상기 CO 변성부 또는 상기 CO 제거부를 예열시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지용 개질기의 운전 방법은 탄화수소계 연료와 H2O가 반응하여 H2를 생성하는 고온개질부와, 상기 고온개질부에서 불가피하게 생성되는 CO를 변성시키는 CO 변성부와, 상기 CO 변성 후 잔류하는 CO를 제거하는 CO 제거부와, 탄화수소계 연료를 연소시켜 발생하는 열을 상기 고온개질부로 전달하는 버너부를 구비하는 연료전지용 개질기의 운전 초기에, 상기 버너부에서 발생하는 연소 가스를 상기 CO 변성부 또는 CO 제거부와 열교환시켜 상기 CO 변성부 또는 상기 CO 제거부를 예열시키는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 연료전지용 개질기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지용 개질기 운전 초기에 별도의 예열 장치 없이 버너 연소가스를 이용하여 CO 변성부 및 CO 제거부를 예열할 수 있는 연료전지용 개질기의 운전 방법 및 연료전지용 개질 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 가정에 설치 시 소비자의 전기 및 온수 요구에 대한 신속한 응답이 이루어져야 한다. 이를 위해서는 개질기에서 수소를 최대한 빨리 생산하여 연료전지 스택으로 공급해야 하며, 이때 개질 가스 중 CO는 수 ppm 단위로 제거되어야 한다.
연료전지에 수소를 공급하기 위한 개질기는 탄화수소계(hydrocarbon) 연료를 수소(H2)로 개질(reforming)한다. 이를 위하여, 개질기는 고온개질부, CO 변성부 및 CO 제거부를 포함한다.
고온개질부는 메탄(CH4) 등과 같은 탄화수소계 연료와 과량의 H2O가 반응하여 다량의 수소로 개질한다. 고온개질 반응은 대략 700℃에서의 흡열반응에 해당한다.
상기 고온개질부에 고온개질 반응의 열을 제공하기 위하여 연료전지용 개질기에는 버너가 포함된다. 버너는 탄화수소계 연료를 연소시켜서 발생하는 열을 고온개질부로 공급한다. 이때, 연소가스가 발생하는데, 통상 연소가스는 고온개질부에 열을 공급 후 바로 배기구를 통하여 외부로 배출된다.
CO 변성부는 고온개질에 의하여 불가피하게 생성되는 CO를 H2O와 반응시켜 CO2로 변성시킨다. CO 변성 반응은 대략 250℃에서의 발열반응에 해당한다.
CO제거부는 CO변성 이후 잔류하는 CO를 공기(air)에 포함되는 O2와 반응시켜 CO2로 제거한다. CO 제거 반응은 대략 120℃에서의 발열반응에 해당한다.
이들 고온개질 반응, CO 변성 반응 및 CO 제거 반응은 각각 촉매 반응으로, 개질기가 정상적으로 구동하기 위해서는 개질기를 구성하는 각 단위 반응기의 온도가 촉매의 활성 온도에 맞추어져야 한다.
따라서, 개질기 운전 초기에 CO 변성부 및 CO 제거부를 예열할 필요가 있다. 그러나, CO 변성부 및 CO 제거부의 예열은 별도의 예열 장치를 요구하며, 이는 연료전지 시스템의 설치 및 운용 비용을 상승시키는 요인이 된다.
본 발명의 목적은 별도의 예열 장치 없이도, 개질기 운전 초기에 CO 변성부 및 CO 제거부를 예열할 수 있는 연료전지용 개질기의 운전 방법 및 연료전지용 개질 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 개질기의 운전 방법은 탄화수소계 연료와 H2O가 반응하여 H2를 생성하는 고온개질부와, 상기 고온개질부에서 불가피하게 생성되는 CO를 변성시키는 CO 변성부와, 상기 CO 변성 후 잔류하는 CO를 제거하는 CO 제거부와, 탄화수소계 연료를 연소시켜 발생하는 열을 상기 고온개질부로 전달하는 버너부를 구비하는 연료전지용 개질기의 운전 초기에, 상기 버너부에서 발생하는 연소 가스를 상기 CO 변성부 또는 CO 제거부와 열교환시켜 상기 CO 변성부 또는 상기 CO 제거부를 예열시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 연소가스와의 열교환에 의하여 상기 CO 변성부 또는 CO 제거부가 정해진 온도로 또는 정해진 시간동안 예열된 이후에는, 상기 버너부에서 발생하는 연소 가스를 고온개질부에 열 공급 후, 바로 외부로 배출할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 개질 시스템은 탄화수소계 연료와 H2O를 반응시켜 H2를 생성하는 고온개질부; 상기 고온개질부에서 불가피하게 생성되는 CO를 H2O와 반응시켜 CO2로 변성시키는 CO 변성부; 상기 CO 변성 후 잔류하는 CO를 O2와 반응시켜 CO2로 제거하는 CO 제거부; 탄화수소계 연료를 연소시켜 발생하는 열을 상기 고온개질부로 전달하는 버너부; 상기 버너부에서 발생하는 연소가스가 상기 CO 변성부 또는 CO 제거부와 열교환된 후, 외부로 배출되도록 형성되는 제1 연소가스 유로; 상기 버너부에서 발생하는 연소가스가 상기 CO 변성부 또는 CO 제거부와 열교환되지 않고 외부로 배출되도록 형성되는 제2 연소가스 유로; 및 상기 제1 연소가스 유로 및 제2 연소가스 유로에서의 연소가스 유량을 제어하는 밸브부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 버너 연소가스를 이용한 연료전지용 개질기의 운전 방법 및 연료전지용 개질 시스템은 연료전지용 개질기 운전 초기에 CO 변성부 및 CO 제거부를 빠른 속도로 예열할 수 있다. 그 결과, 개질기에서 수소를 빠른 속도로 생산하여 스택으로 공급할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 버너 연소가스를 이용한 연료전지용 개질기의 운전 방법 및 연료전지용 개질 시스템은 별도의 예열 장치 없이도, 통상 버너부에서 바로 배출되는 연소가스를 활용하여 연료전지용 개질기 운전 초기에 CO 변성부 및 CO 제거부를 예열할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 버너 연소가스를 이용한 연료전지용 개질기의 운전 방법 및 연료전지용 개질 시스템은 개질기 운전 초기에 CO 변성부 및 CO 제거부의 예열을 온도가 비교적 일정한 버너 연소가스를 이용함으로써 예열 온도 혹은 예열 시간 등의 제어도 매우 간단한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 개질 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 연료전지용 개질기를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 연료전지용 개질기를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 버너 연소가스를 이용한 연료전지용 개질기의 운전 방법 및 연료전지용 개질 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 개질 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 개질 시스템은 개질기(110), 제1 연소가스 유로(120), 제2 연소가스 유로(130) 및 밸브부(V/V1, V/V2)를 포함한다.
개질기(110)는 고온개질부(112), CO 변성부(113) 및 CO 제거부(114)를 포함한다.
고온개질부(112)는 CH4와 같은 탄화수소계 연료와 과량의 증기 상태의 H2O를 반응시켜 H2를 생성한다. 이때, 고온개질 반응 결과 상기의 H2뿐만 아니라, 대략 10% 정도의 CO도 불가피하게 발생한다.
한편, 고온개질 반응은 대략 700℃에서의 흡열 반응에 해당하며, 고온개질 반응에 필요한 열을 제공하기 위하여, 버너부(111)가 필요하다. 버너부(111)는 탄화수소계 연료 등을 연소시켜 발생하는 열을 고온개질부로 전달한다. 한편, 버너부(111)에서는 상기 열과 함께 고온의 연소가스가 발생한다. 고온의 연소가스는 일반적으로 바로 배기구(140)를 통하여 외부로 배출된다.
CO 변성부(113)는 고온개질부에서 불가피하게 생성되는 CO를 고온개질부에서 반응하고 남은 H2O와 반응시켜 CO2로 변성시킨다.
CO 제거부(114)는 CO 변성 후 잔류하는 CO를 공기(air)에 포함된 O2와 반응시켜 CO2로 제거한다.
전술한 바와 같이, 연료전지 스택에서 최대한 빠르게 전기를 생산하기 위해서는 연료전지 스택에 수소가 최대한 빠르게 공급되어야 하고, 이는 개질기에서 수소 생산을 빠르게 함으로써 가능하다. 개질기 내 각 단위 반응부, 즉 고온개질부, CO 변성부 및 CO 제거부에서의 각 반응은 촉매 반응으로, 개질기가 정상적으로 구동되기 위해서는 개질기를 구성하는 각 단위 반응기의 온도가 촉매의 활성 온도에 맞추어져야 한다.
평상시, 즉 연료전지 스택에서 전기생산을 요하지 않아 개질기가 운전되지 않는 상태에서는 각 단위 반응부의 온도는 상온과 같이 낮은 온도로 유지된다. 따라서, 수소 생산을 위하여 개질기를 운전할 경우, 개질기 각 단위 반응부의 온도를 예열할 필요가 있다. 고온개질부의 경우, 버너부로 발생하는 열에 의하여 가열되나, CO 변성부 및 CO 제거부는 그렇지 못하다. 따라서, 개질기 운전 초기에 CO 변성부 및 CO 제거부를 예열할 필요가 있다.
이에 본 발명에서는 도 1에 도시된 예와 같이, 버너부(111)에서 발생하는 연소가스를 이용하여 CO 변성부(113) 및 CO 제거부(114)를 예열한다. 연소가스를 이용한 CO 변성부(113) 및 CO 제거부(114)의 예열의 경우, 제어가 간단하며, 별도의 예열 장치 없이도 열교환 효율을 높일 수 있다.
연소가스를 이용한 예열은 CO 변성부(113)와 CO 제거부(114) 중 어느 하나에만 이루어질 수 있다. 또한, 연소가스를 이용한 예열은 CO 변성부(113)와 CO 제거부(114) 모두에 이루어질 수 있다.
CO 변성부(113)와 CO 제거부(114) 모두의 예열이 이루어지는 경우, CO 변성부(113)에서 버너부(111)에서 발생하는 연소가스와의 열교환에 의한 예열이 이루어진 후, CO 제거부(114)에서 연소가스와의 열교환에 의한 예열이 이루어지도록 하는 순차적 예열이 바람직하다. 그 이유는 CO 변성부(113)에서의 반응온도가 대략 250℃로서, 대략 120℃ 정도의 CO 제거부(114)에서의 반응온도보다 더 높기 때문에 CO 변성부(113)에서의 요구되는 예열온도가 더 높기 때문이다.
한편, 연소가스와의 열교환에 의하여 상기 CO 변성부(113) 또는 CO 제거부(114)가 정해진 온도 또는 정해진 시간동안 예열된 이후에는, 버너부(111)에서 발생하는 연소 가스를 CO 변성부(113) 및 CO 제어부(114)와 열교환시키지 않고 바로 외부로 배출할 수 있다.
연소가스의 흐름을 제어하기 위하여, 본 발명에서는 제1 연소가스 유로(120), 제2 연소가스 유로(130) 및 밸브부(V/V1, V/V2)를 포함한다.
제1 연소가스 유로(120)는 버너부(111)에서 발생하는 연소가스가 CO 변성부(113) 또는 CO 제거부(114)와 열교환된 후, 배기구(140) 등을 통하여 외부로 배출되도록 형성된다.
연소가스가 CO 변성부(113) 또는 CO 제거부(114)와 열교환될 수 있도록, 제1 연소가스 유로(120)는 도 1에 도시된 예와 같이, CO 변성부(113) 또는 CO 제거부(114) 외곽 영역을 경유하도록 형성된다.
반면, 제2 연소가스 유로(130)는 버너부(111)에서 발생하는 연소가스가 외부로 바로 배기구(140) 등을 통하여 외부로 배출되도록 형성된다.
밸브부는 제1 연소가스 유로(120) 또는 제2 연소가스 유로(130)에서의 연소가스 유량 제어를 위하여 배치된다.
이를 위하여, 밸브부는 도 1에 도시된 예와 같이, 제1밸브(V/V1) 및 제2밸브(V/V2)를 포함할 수 있다.
제1밸브(V/V1)는 제1 연소가스 유로(120)에 형성된다. 제1밸브(V/V1)는 연료전지용 개질기(110) 운전 초기에 CO 변성부(113) 또는 CO 제거부(114)와 열교환시키기 위하여 개방된다.
제2밸브(V/V2)는 제2 연소가스 유로(130) 상에 형성된다. 제2밸브(V/V2)는 CO 변성부(113) 또는 CO 제거부(114)가 정해진 온도 또는 정해진 시간동안 예열된 후에 개방된다.
버너부(111)에서 발생하는 연소가스는 제1 연소가스 유로(120) 및 제2 연소가스 유로(130) 중 하나의 유로로만 흐르도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 개질기 운전 초기에 버너부(1110)로부터 발생하는 연소가스가 제1 연소가스 유로(120)를 통하여 모두 흐르고, 제2 연소가스 유로(120)를 통하여는 흐르지 않도록 제1밸브(V/V1)를 개방하고, 제2밸브(V/V2)를 폐쇄할 수 있다.
또한, 필요에 따라서는 제1 연소가스 유로(120) 및 제2 연소가스 유로(130) 모두에 흐르도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 개질기 운전 초기에 버너부(1110)로부터 발생하는 연소가스의 80%가 제1 연소가스 유로(120)를 통하여 흐르고, 연소가스의 나머지 20%가 제2 연소가스 유로(130)을 통하여 흐르도록, 제1밸브(V/V1) 및 제2밸브(V/V)의 개방 정도를 조절할 수 있다.
이러한 밸브부를 통한 연소가스 유량 제어는 개질기의 구조, 열교환 정도, 연소가스의 발생량, 온도 등에 따라 정해질 수 있다.
한편, 도 1에서는 제1 연소가스 유로(120) 및 제2 연소가스 유로(130)의 분기를 위하여 밸브부가 2개의 밸브(V/V1, V/V2)를 포함하는 예를 나타내었으나, 제1 연소가스 유로(120) 및 제2 연소가스 유로(130)의 분기는 3방 밸브와 같은 형태도 가능하다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 연료전지용 개질기를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 연료전지용 개질기는 원통형 또는 평판형 구조를 가지며, 중앙으로부터 제1 CO 변성부(210), 제2 CO 변성부(220) 및 CO 제거부(230)를 포함한다.
중앙 영역에 형성되는 제1 CO 변성부(210)는 고온개질부에서 공급되는 CO를 대략 300 ~ 500℃ 정도의 제1온도에서 H2O와 반응시켜 CO2로 변성시킨다.
제2 CO 변성부(220)는 제1 CO 변성부(210) 외측에 형성된다. 제2 CO 변성부(220)는 제1 CO 변성부(210)에서 미반응된 CO를 상기 제1온도보다 낮은 대략 150 ~ 300℃ 정도의 제2온도에서 H2O와 반응시켜 CO2로 변성시킨다.
제1 CO 변성부(210) 및 제2 CO 변성부(220)에서는 동일하게 다음과 같은 반응이 이루어진다.
CO + H2O → H2 +CO2
다만, 제1 CO 변성부(210)와 제2 CO 변성부(220)에는 서로 다른 촉매가 포함된다. 제1 CO 변성부(210)에는 활성화 온도가 대략 300 ~ 500℃인 촉매가 포함된다. 반면, 제2 CO 변성부(220)에는 활성화 온도가 대략 150 ~ 300℃인 촉매가 포함된다. CO 변성부를 반응 온도에 2개로 배치하는 경우, CO 변성 효율을 더욱 높일 수 있다.
CO 제거부(230)는 제2 CO 변성부(220) 외측에 형성되며, 상기 제2 CO 변성부(220)에서 미반응된 CO를 상기 제2온도보다 낮은 대략 100~150℃의 제3온도에서 O2와 반응시켜 CO2로 제거한다.
CO변성에 의하여 대부분의 CO가 변성되나, 여전히 0.5% 정도의 CO가 잔류할 수 있다. 이에, CO 제거부(230)에서는 잔류하는 CO의 선택적 산화(preferential oxidation) 반응을 통하여 CO의 농도를 ppm 단위까지 낮춘다.
CO + 1/2O2 → CO2
이때, 도 2에 도시된 개질기에서, 제1 CO 변성부(210), 제2 CO 변성부(220) 및 CO 제거부(230) 주변에는 제1 연소가스 유로(210a, 220a, 230a)가 형성되어 있다. 따라서, 개질기 운전 초기에 연소가스를 이용하여 제1 CO 변성부(210), 제2 CO 변성부(220) 및 CO 제거부(230)를 예열할 수 있다.
한편, 제1 CO 변성부(210)와 제2 CO 변성부(220) 사이에는, 외부에서 공급되는 H2O를 예열하여 고온 개질부로 공급하기 위한 H2O 유로(220b, 210b)가 형성될 수 있다. 이는 고온 개질부로 공급되는 H2O가 액체 상태가 아닌, 기체 상태가 되어야 하고, 또한, 제1 CO 변성부(210), 제2 CO 변성부(220) 및 CO 제거부(230)에서의 반응은 발열 반응(exothermic reaction)인 바, 이들 각 단위 반응부의 온도를 일정하게 유지할 필요가 있기 때문이다.
또한, 제2 CO 변성부(220)와 CO 제거부(230) 사이에는, 상호 간에 온도의 영향을 미치지 않도록 하기 위하여, 단열층(225)이 형성될 수 있다.
한편, 제1 연소가스 유로(210a, 220a, 230a)는 제1-1 연소가스 유로(210a), 제1-2 연소가스 유로(220a) 및 제1-3 연소가스 유로(230a)를 포함할 수 있다.
제1-1 연소가스 유로(210a)는 버너부와 연결되며, 제1 CO 변성부(210) 외측에 형성된다. 제1 CO 변성부(210)는 제1-1 연소가스 유로(210a)를 통과하는 연소가스와 열교환하여 예열될 수 있다.
제1-2 연소가스 유로(220a)는 상기 제1-1 연소가스 유로(210a)와 연결되며, 상기 제2 CO 변성부(220)의 내측에 형성된다. 여기서 '제2 CO 변성부의 내측'은 제2 CO 변성부의 내부를 의미하는 것은 아니며, 제2 CO 변성부의 외곽 영역 중 안쪽 영역을 의미한다. 또한, 제2 CO 변성부의 외측은 제2 CO 변성부의 외곽 영역 중 바깥쪽 영역을 의미한다.
제1-3 연소가스 유로(230a)는 제1-2 연소가스 유로(220a)와 연결되며, CO 제거부(230)의 외측에 형성된다.
상기의 제1 연소가스 유로(210a, 220a, 230a)를 고려할 때, 전술한 H2O 유로(220b, 210b)는 제1 H2O 유로(220b) 및 제2 H2O 유로(210b)로 구분될 수 있다.
제1 H2O 유로(220b)는 제2 CO 변성부(220)와 제1-2 연소가스 유로(220a) 사이에 형성된다.
제2 H2O 유로(210b)는 제1-1 H2O 유로(220b)와 연결되며, 상기 제1-1 연소가스 유로(210a)와 제1-2 연소가스 유로(220a) 사이에 형성된다.
H2O는 주변의 온도가 상대적으로 낮은 제1 H2O 유로(220b)와, 주변의 온도가 상대적으로 높은 제2 H2O 유로(210b)를 순차적으로 통과하면서 승온된다.
한편, 도 2에서, 제1 CO 변성부(210), 제1-1 연소가스 유로(210a), 제2 H2O 유로(210b), 제1-2 연소가스 유로(220a), 제1 H2O 유로(220b), 제2 CO 변성부(220), 단열층(225), CO 제거부(230) 및 제1-3 연소가스 유로(230a)를 포함하는 개질기 구조는 원통형 또는 평판형 구조가 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 개질기의 운전 방법 및 연료전지용 개질 시스템은 버너 연소가스를 이용함으로써 별도의 예열장치를 구비하지 않더라도 개질기 운전 초기에 CO 변성부 및 CO 제거부를 효과적으로 예열할 수 있다.
따라서, 연료전지 시스템의 구축 및 구동 비용을 크게 줄일 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110 : 개질기 111 : 버너부
113 : CO 변성부 114 : CO 제거부
120 : 제1 배기가스 유로 130 : 제2 배기가스 유로
140 : 배기구 V/V1 : 제1 밸브
V/V2 : 제2 밸브 210 : 제1 CO 변성부
210a : 제1-1 배기가스 유로 210b : 제2 H2O 유로
220 : 제2 CO 변성부 220a : 제1-2 배기가스 유로
220b : 제1 H2O 유로 225 : 단열층
230 : CO 제거부 230a : 제1-3 배기가스 유로
113 : CO 변성부 114 : CO 제거부
120 : 제1 배기가스 유로 130 : 제2 배기가스 유로
140 : 배기구 V/V1 : 제1 밸브
V/V2 : 제2 밸브 210 : 제1 CO 변성부
210a : 제1-1 배기가스 유로 210b : 제2 H2O 유로
220 : 제2 CO 변성부 220a : 제1-2 배기가스 유로
220b : 제1 H2O 유로 225 : 단열층
230 : CO 제거부 230a : 제1-3 배기가스 유로
Claims (11)
- 탄화수소계 연료와 H2O가 반응하여 H2를 생성하는 고온개질부와, 상기 고온개질부에서 불가피하게 생성되는 CO를 변성시키는 CO 변성부와, 상기 CO 변성 후 잔류하는 CO를 제거하는 CO 제거부와, 탄화수소계 연료를 연소시켜 발생하는 열을 상기 고온개질부로 전달하는 버너부를 구비하는 연료전지용 개질기의 운전 방법에 있어서,
상기 CO 변성부는 상기 고온개질부에서 공급되는 CO를 H2O와 반응시켜 CO2로 변성시키는 제1 CO 변성부와, 상기 제1 CO 변성부 외측에 형성되며, 상기 제1 CO 변성부에서 미반응된 CO를 H2O와 반응시켜 CO2로 변성시키는 제2 CO 변성부를 포함하고, 상기 CO 제거부는 상기 제2 CO 변성부 외측에 형성되며, 상기 제2 CO 변성부에서 미반응된 CO를 O2와 반응시켜 CO2로 제거하는 것을 특징으로 하고,
상기 연료전지용 개질기 운전 초기에, 상기 버너부에서 발생하는 연소 가스를 상기 제1 및 제2 CO 변성부 또는 CO 제거부와 열교환시켜 상기 제1 및 제2 CO 변성부 또는 상기 CO 제거부를 예열시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 운전 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 버너부에서 발생하는 연소가스를 상기 제1 및 제2 CO 변성부와 열교환시켜 상기 제1 및 제2 CO 변성부를 예열시킨 후, 상기 열교환된 연소가스를 상기 CO 제거부와 열교환시켜 상기 CO 제거부를 예열시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 운전 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 연소가스와의 열교환에 의하여 상기 제1 및 제2 CO 변성부 또는 CO 제거부가 정해진 온도 또는 정해진 시간동안 예열된 이후에는, 상기 버너부에서 발생하는 연소 가스를 상기 제1 및 제2 CO 변성부 및 상기 CO 제거부와 열교환시키지 않고, 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 운전 방법.
- 탄화수소계 연료와 H2O를 반응시켜 H2를 생성하는 고온개질부;
상기 고온개질부에서 불가피하게 생성되는 CO를 H2O와 반응시켜 CO2로 변성시키는 CO 변성부;
상기 CO 변성 후 잔류하는 CO를 O2와 반응시켜 CO2로 제거하는 CO 제거부;
탄화수소계 연료를 연소시켜 발생하는 열을 상기 고온개질부로 전달하는 버너부;
상기 버너부에서 발생하는 연소가스가 상기 CO 변성부 또는 CO 제거부와 열교환된 후, 외부로 배출되도록 형성되는 제1 연소가스 유로;
상기 버너부에서 발생하는 연소가스가 상기 CO 변성부 또는 CO 제거부와 열교환되지 않고 외부로 배출되도록 형성되는 제2 연소가스 유로; 및
상기 제1 연소가스 유로 및 제2 연소가스 유로에서의 연소가스 유량을 제어하는 밸브부;를 포함하며,
상기 CO 변성부는 상기 고온개질부에서 공급되는 CO를 H2O와 반응시켜 CO2로 변성시키는 제1 CO 변성부와, 상기 제1 CO 변성부 외측에 형성되며, 상기 제1 CO 변성부에서 미반응된 CO를 H2O와 반응시켜 CO2로 변성시키는 제2 CO 변성부를 포함하고, 상기 CO 제거부는 상기 제2 CO 변성부 외측에 형성되며, 상기 제2 CO 변성부에서 미반응된 CO를 O2와 반응시켜 CO2로 제거하며, 상기 제1 CO 변성부, 상기 제2 CO 변성부 및 상기 CO 제거부는 상기 제1 연소가스 유로를 통과하는 연소가스와 열교환하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 밸브부는
상기 연료전지용 개질기 운전 초기에 상기 제1 및 제2 CO 변성부 또는 CO 제거부와 열교환시키기 위하여, 상기 연소가스가 상기 제1 연소가스 유로를 통하여 흐르도록 하고,
상기 제1 및 제2 CO 변성부 또는 CO 제거부가 정해진 온도 또는 정해진 시간동안 예열된 후에는 상기 연소가스가 상기 제2 연소가스 유로를 통하여 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 제1 연소가스 유로는
상기 연소가스가 상기 제1 및 제2 CO 변성부 및 상기 CO 제거부와 순차적으로 열교환하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질 시스템.
- 삭제
- 제4항에 있어서,
상기 제1 CO 변성부와 상기 제2 CO 변성부 사이에, 외부에서 공급되는 H2O를 예열하여 고온 개질기로 공급하기 위한 H2O 유로가 형성되어 있고,
상기 제2 CO 변성부와 상기 CO 제거부 사이에, 단열층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 제1 연소가스 유로는
상기 버너부와 연결되며, 상기 제1 CO 변성부 외측에 형성되는 제1-1 연소가스 유로와,
상기 제1-1 연소가스 유로와 연결되며, 상기 제2 CO 변성부의 내측에 형성되는 제1-2 연소가스 유로와,
상기 제1-2 연소가스 유로와 연결되며, 상기 CO 제거부의 외측에 형성되는 제1-3 연소가스 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질 시스템.
- 제9항에 있어서,
상기 H2O 유로는
상기 제2 CO 변성부와 상기 제1-2 연소가스 유로 사이에 형성되는 제1 H2O 유로와,
상기 제1-1 H2O 유로와 연결되며, 상기 제1-1 연소가스 유로와 제1-2 연소가스 유로 사이에 형성되는 제2 H2O 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질 시스템.
- 제10항에 있어서,
상기 제1 CO 변성부, 제1-1 연소가스 유로, 제2 H2O 유로, 제1-2 연소가스 유로, 제1 H2O 유로, 제2 CO 변성부, 단열층, CO 제거부 및 제1-3 연소가스 유로를 포함하는 연료전지용 개질기는 원통형 구조 또는 평판형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질 시스템.
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| KR1020110078947A KR101305805B1 (ko) | 2011-08-09 | 2011-08-09 | 버너 연소가스를 이용한 연료전지용 개질기의 운전 방법 및 연료전지용 개질 시스템 |
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| KR1020110078947A KR101305805B1 (ko) | 2011-08-09 | 2011-08-09 | 버너 연소가스를 이용한 연료전지용 개질기의 운전 방법 및 연료전지용 개질 시스템 |
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| KR101305805B1 true KR101305805B1 (ko) | 2013-09-06 |
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| KR (1) | KR101305805B1 (ko) |
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|---|---|---|---|---|
| KR20210080133A (ko) | 2019-12-22 | 2021-06-30 | 주식회사 성광이엔텍 | 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템 |
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| JP7144369B2 (ja) * | 2019-07-10 | 2022-09-29 | 日立造船株式会社 | 燃料電池システム |
Citations (3)
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| JP2002025591A (ja) * | 2000-07-13 | 2002-01-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池発電システム |
| JP3625770B2 (ja) * | 1999-04-20 | 2005-03-02 | 東京瓦斯株式会社 | 単管円筒式改質器およびその運転方法 |
| US20060204800A1 (en) | 2005-03-14 | 2006-09-14 | Nissan Technical Center N.A., Inc. | Fuel processing system and its shutdown procedure |
-
2011
- 2011-08-09 KR KR1020110078947A patent/KR101305805B1/ko active IP Right Grant
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