KR101341255B1 - 열적 취약성이 향상된 개질기 산화촉매와 이를 구비한 개질기 및 이와 함께 구성된 연료전지 시스템 - Google Patents
열적 취약성이 향상된 개질기 산화촉매와 이를 구비한 개질기 및 이와 함께 구성된 연료전지 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 연료전지시스템은 전기를 생성하는 연료전지스택(40)으로 수소(H2)를 공급하고 더불어 미 사용된 AOG(Anode Off Gas)인 수소(H2)를 재순환시켜 연소하는 개질기(10)로 구성되되, 상기 개질기(10)에 구비된 개질기 산화촉매(20)가 그 내부공간으로 버너(30)의 연소화염을 유입할 수 있는 원뿔대 형상(21,210)을 더 형성함으로써, 연소화염의 열전달효율을 높이면서도 연소화염에 의한 열화 영향도 크게 줄여 내구성이 향상되는 특징을 갖는다.
Description
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 버너의 연소화염이 개질촉매를 활성온도로 높여주는 개질기 산화촉매의 내부공간으로 유입되고, 상기 연소화염과 이격된 상태에서 연소화염으로 상기 개질기 산화촉매가 가열되는 열적 취약성이 향상된 개질기를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 개질기(Reformer)에는 개질연료를 개질화해 수소(H2)를 추출하는 개질촉매가 포함된 다수의 촉매와, 촉매에 대한 고온 분위기를 형성하는 연소용 버너와, 연소 후 배기가스가 배출되고 수소(H2)추출을 위한 가스 및 물(Water)이 공급되며 연소용 가스가 공급되는 레이아웃을 갖는 배관이 갖춰진다.
이와 같이 개질기는 수소가 함유된 개질연료(일례로, LPG, LNG를 포함한 탄화수소계열 연료)로부터 수소(H2)를 추출하는 장치로서, 통상 전기 발전기로 기능하는 연료전지스택과 함께 구성됨으로써 산소(O2)와 화학반응하기 위한 수소(H2)의 생성을 목적으로 한다.
그러므로, 연료전지스택을 동력원으로 사용하는 연료전지발전시스템에서는 고 성능의 개질기가 적용됨으로써 고성능화 및 우수한 상품성에 기여할 수 있게 된다.
특히, 산업계 전반에 걸쳐 적용되고 있는 친환경기술은 소형 발전분야에서도 환경오염을 일으키는 디젤발전기 대신 친환경적인 연료전지 발전시스템을 요구함으로써, 개질기는 보다 고 성능을 갖도록 개선되고 있는 실정이다.
상기 특허문헌은 수소를 함유한 연료로부터 수소(H2)를 발생시키는 개질기와, 상기 개질기로부터 추출된 수소(H2)를 공급받아 산소(O2)와 반응함으로써 전기를 발생시키는 연료전지스택이 포함된 연료전지 시스템에 관한 기술이다.
특히, 상기 특허문헌은 개질 촉매를 본체로 격리한 개질반응부의 안쪽으로 열원인 가열부가 위치됨으로써 개질반응부의 안쪽 공간으로 서라운드(surround)영역이 형성되고, 이러한 서라운드 영역으로 개질 촉매 성능이 보다 향상된 개질기 기술의 예를 나타낸다.
상기와 같이 개질기 성능을 보다 높이려면, 개질 촉매를 높은 온도로 상승시켜 유지해 줄 수 있는 기능이 가장 중요하게 된다.
이를 위해, 상기 특허문헌은 서라운드 영역을 이용해 개질 촉매의 온도를 높게 유지함으로써, 상기 특허문헌의 개질기는 서라운드 영역을 갖지 않는 기타 개질기에 비해 그 성능을 보다 높일 수 있게 된다.
하지만, 상기 특허문헌에 적용된 서라운드 영역은 개질 촉매가 내장된 개질반응부 주위 공간으로 확장됨으로써 개질 촉매 온도 상승을 위한 화염 집중도가 낮을 수밖에 없고, 이로 인해 개질 촉매의 수소(H2) 추출 성능 향상도 크지 못한 한계를 가질 수밖에 없다.
그러므로, 산화촉매를 가열하는 버너의 열효율을 높이기 위해선 버너의 연소화염이 산화촉매를 감싸면서 가열함이 바람직하게 된다.
그러나, 버너의 연소화염이 산화촉매를 감싸면서 가열할 경우 약 1500도 까지 올라가는 연소온도로 인해 산화촉매의 열화 내구성이 크게 약화되고, 열화 진행이 심화될 경우 산화촉매에 크랙(Crack)이 생성될 수 있는 위험성이 있게 된다.
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 개질촉매로 둘러싸인 개질기 산화촉매가 버너의 연소화염을 유입해 연소화염과 일정 간격을 두고 연소화염으로 가열됨으로써, 고온의 연소화염에 의한 개질기 산화촉매의 열화 영향을 줄여 내구성이 향상되고 더불어 연소화염의 열전달효율을 높여준 열적 취약성이 향상된 개질기를 이용한 연료전지 시스템을 제공 하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열적 취약성이 향상된 개질기 산화촉매는 버너에서 형성된 연소화염이 일정형상의 내부공간을 가진 개질기 산화촉매 내부에 형성되고, 상기 내부공간이 형성된 상기 개질기 산화촉매는 상기 연소화염과 직접 접촉하지 않는
것을 특징으로 한다.
상기 일정형상은 원뿔대 형상이다.
상기 원뿔대의 길이는 상기 개질기 산화촉매의 전체 길이와 일치된다.
상기 원뿔대 형상의 횡단면에서 상기 개질기 산화촉매의 입구부로부터 상기 개질기 산화촉매의 출구부로 이어지는 연결선은 직선을 이루게 된다.
상기 원뿔대 형상의 횡단면에서 상기 개질기 산화촉매의 입구부로부터 상기 개질기 산화촉매의 출구부로 이어지는 연결선은 곡선을 이루게 된다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열적 취약성이 향상된 개질기는 개질기 산화촉매가 개질촉매 가열을 위한 열원으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 시스템은 열적 취약성이 향상된 개질기 산화촉매와, 상기 개질기 산화촉매가 개질촉매 가열을 위한 열원으로 사용되는 개질기를 적용한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 시스템은 개질기의 상부에서 상기 개질기의 아래로 향하는 버너의 연소화염이 형성되는 원뿔대 형상의 내부공간이 개질기 산화촉매에 형성되고, 상기 내부공간은 상기 연소화염과 직접 접촉하지 않아 열적 취약성이 향상된 상기 개질기 산화촉매가 개질촉매 가열을 위한 열원으로 사용되는 개질기와;
상기 개질기의 개질촉매에서 생성된 수소(H2)를 공급받아 발전하고, 미 사용된 AOG(Anode Off Gas)인 수소(H2)를 상기 산화촉매의 아래로 위치된 AOG노즐(Anode Off Gas Nozzle)로 보내 재순환시켜주는 연료전지스택;
을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 시스템은 개질기의 하부에서 상기 개질기의 위로 향하는 버너의 연소화염이 형성되는 원뿔대 형상의 내부공간이 개질기 산화촉매에 형성되고, 상기 내부공간은 상기 연소화염과 직접 접촉하지 않아 열적 취약성이 향상된 상기 개질기 산화촉매가 개질촉매 가열을 위한 열원으로 사용되는 개질기와;
상기 개질기의 개질촉매에서 생성된 수소(H2)를 공급받아 발전하고, 미 사용된 AOG(Anode Off Gas)인 수소(H2)를 상기 산화촉매의 아래로 위치된 AOG노즐(Anode Off Gas Nozzle)로 보내 재순환시켜주는 연료전지스택;
을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명은 개질기 산화촉매가 버너의 연소화염을 유입해 연소화염과 일정 간격을 두고 가열되어 연소화염의 열전달효율을 크게 높여주면서도, 고온의 연소화염의 직접적인 접촉에 의한 개질기 산화촉매의 열화 영향도 줄여 내구성이 향상되며, 특히 개질기 산화촉매의 열적 취약성을 크게 향상하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 개질촉매로 둘러싸인 개질기 산화촉매의 열적 취약성을 크게 향상한 개질기가 사용됨으로써, 보다 신속한 수소(H2)가스 공급으로 시동성이 개선될 수 있고 특히 연료전지시스템의 내구성도 함께 개선되는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열적 취약성이 향상된 개질기 산화촉매와 이를 구비한 개질기 및 이와 함께 구성된 연료전지 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1에 따른 산화촉매의 가열상태이며, 도 3은 도 1에서 열적 취약성이 향상된 개질기 산화촉매와 버너위치를 변경한 개질기 및 이를 이용한 연료전지 시스템의 구성도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 열적 취약성이 향상된 개질기 산화촉매와 이를 구비한 개질기 및 이와 함께 구성된 연료전지 시스템의 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 연료전지시스템은 공급된 공기와 함께 착화연료를 연소하고 더불어 개질연료의 개질화로 수소(H2)가스를 생성해주는 개질기(10)와, 개질기(10)에서 생성된 수소(H2)가스를 공급받아 공기와 산화 반응됨으로써 발전에너지(전기)가 생성되고 더불어 미 사용된 AOG(Anode Off Gas)인 수소(H2)를 상기 개질기(10)로 재순환시켜주는 연료전지스택(40)으로 구성된다.
여기서, 상기 개질연료는 LPG, LNG, CNG를 포함한 탄화수소계열 연료를 의미하며, 상기 착화연료는 LPG, LNG, CNG를 포함한 탄화수소계열 연료를 의미한다.
상기 개질기(10)는 공급된 공기와 착화연료를 연소하여 연소화염을 생성해주는 버너(30)와, 버너(30)의 아래쪽에 위치되어 상기 버너(30)의 연소화염으로 산화되어 가열되는 개질기 산화촉매(20)와, 종단면 크기가 상기 개질기 산화촉매(20)의 길이를 따라 달라지는 원기둥으로 이루어져 연소화염을 유입함으로써 상기 개질기 산화촉매(20)의 열적 취약성을 크게 향상시켜주는 원뿔대 형상(21)과, 상기 개질기 산화촉매(20)의 아래쪽에서 연료전지스택(40)에서 미 사용된 AOG(Anode Off Gas)인 수소(H2)가 연소되도록 상기 수소(H2)를 분사하는 AOG노즐(50, Anode Off Gas Nozzle)을 포함한다.
상기 개질기 산화촉매(20)는 적어도 2개로 이루어진 이중구조가 적용될 수 있다.
상기 개질기 산화촉매(20)의 내부공간에는 상기 원뿔대 형상(21)이 형성된다.
또한, 상기 개질기 산화촉매(20)는 자신을 둘러싼 개질촉매의 온도를 활성온도까지 높여줌으로써 개질연료가 개질촉매를 지나면서 개질가스로 전환될 수 있고, 상기 개질촉매는 다시 수성전환(Water Gas Shift)촉매로 둘러싸임으로써 수증기를 이용해 개질가스에서 일산화탄소(CO)를 제거하게 된다.
통상, 상기 개질기(10)에는 내부 연소에 의해 발생 되는 고온 배기가스가 통과하는 증발기가 더 구비되고, 상기 증발기는 개질기(10)로 공급되는 연료와 공기를 예열하고 특히 물을 기화해 수증기로 전환시켜주게 된다.
상기 수증기는 수성전환촉매로 공급된다.
상기 연료전지스택(40)은 통상의 연료전지스택의 구성과 동일하며, 다만 연료전지스택(40)에서 미 사용된 AOG(Anode Off Gas)인 수소(H2)를 개질기(10)의 AOG노즐(50)로 보내주는 수소재순환라인이 구비됨으로써 수소재순환기능을 더 구현하게 된다.
이에 더해, 상기 연료전지시스템에는 개질기(10)와 연료전지스택(40)사이로 프록스(PROX)촉매가 더 구비되고, 상기 프록스 촉매는 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)를 제거함으로써 연료전지스택(40)내에 있는 촉매가 일산화탄소(CO)로 피독되어 연료전지의 수명이 단축되는 현상을 방지하여 준다.
통상, 상기 프록스 촉매는 개질기(10)로부터 과열방지를 위해 일정거리 이격되어 설치된다.
도 2(가)는 본 실시예의 개질기 산화촉매(20)에 형성된 원뿔대 형상(21)을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 원뿔대 형상(21)은 종단면 면적크기가 개질기 산화촉매의 길이를 따라 달라지는 원기둥으로 이루어지고, 개질기 산화촉매(20)의 내부공간에 만들어진다.
통상, 원뿔대 형상(21)은 다면체로 이루어지지 않고 원기둥 형상으로 이루어지되, 개질기 산화촉매(20)에서 입구부 단면적 크기가 출구부 단면적 크기에 비해 더 크게 형성됨으로써 산화촉매(20)의 종단면 면적크기가 개질기 산화촉매(20)의 길이를 따라 감소되는 구조로 이루어진다.
여기서, 상기 개질기 산화촉매(20)에서 입구부는 버너(30)의 연소화염이 들어오는 부위를 의미하고, 반면 출구부는 상기 입구부의 반대쪽 부위를 의미한다.
그리고, 원뿔대 형상(21)은 개질기 산화촉매(20)가 버너(30)에 근접되는 입구부의 직경을 대 직경(D)으로 하고 그 반대쪽의 출구부의 직경을 소 직경(d)으로 할 때, 대 직경(D)과 소 직경(d)을 이어주는 단면 선이 직선을 이룸으로써 개질기 산화촉매(20)의 전체길이(La)를 따라 테이퍼진 횡단면 구조를 이루게 된다.
그러므로, 원뿔대 형상(21)은 버너(30)의 연소화염과 거의 일치하는 형상을 이룰 수 있고, 통상, 원뿔대 형상(21)은 개질기 산화촉매(20)의 전체길이(La)와 일치하거나 더 짧게 형성될 수 있다.
이에 더해, 원뿔대 형상(21)의 크기는 버너(30)의 연소화염이 유입될 수 있고, 연소화염이 유입된 상태에서 상기 연소화염과 이격될 수 있는 정도로 이루어진다.
그러므로, 버너(30)의 연소로 일어난 연소화염(A)이 개질기 산화촉매(20)의 입구부위를 지나 개질기 산화촉매(20)의 내부공간에 형성된 원뿔대 형상(21)으로 들어오면, 상기 원뿔대 형상(21)로 들어온 연소화염(a)은 상대적으로 큰 종단면적 크기를 갖는 원뿔대 형상(21)과 이격된 상태를 유지될 수 있다.
이로 인해, 원뿔대 형상(21)에 유입된 버너(30)의 연소화염(a)은 개질기 산화촉매(20)가 화염에 직접 접촉되지 않고, 이는 개질기 산화촉매(20)가 상기 원뿔대 형상(21)을 이용함으로써 연소화염의 열전달효율을 크게 높일 수 있고 동시에 연소화염에 의한 열화 영향을 크게 줄여줄 수 있음을 나타낸다.
이로부터, 개질기 산화촉매(20)는 내구성이 크게 향상될 수 있다.
그리고, 도 2(나)는 본 실시예의 원뿔대 형상(21)의 변형예를 나타낸다.
이에 따른 원뿔대 형상(210)은 도 2(가)의 원뿔대 형상(21)과 동일하게 형성되고 동일한 작용을 구현한다.
다만, 상기 원뿔대 형상(210)은 개질기 산화촉매(20)가 버너(30)에 근접되는 입구부의 직경을 대 직경(D)으로 하고 그 반대쪽의 출구부의 직경을 소 직경(d)으로 할 때, 대 직경(D)과 소 직경(d)을 이어주는 단면 선이 곡선을 이룸으로써 개질기 산화촉매(20)의 전체길이(La)를 따라 포물선 횡단면 구조를 이루게 된다.
한편, 도 3은 본 발명의 버너위치를 변경한 개질기 및 이를 이용한 연료전지 시스템의 구성을 나타낸다.
이 경우, 연료전지시스템은 도 1 및 도 2에 따른 연료전지시스템과 모두 동일한 개질기(10)와 내부공간으로 원뿔대 형상(21,210)을 형성한 개질기 산화촉매(20), 버너(30), AOG노즐(50) 및 연료전지스택(40)으로 구성된다.
다만, 버너(30)의 레이아웃에서, 버너(30)가 개질기 산화촉매(20)의 아래쪽으로 위치되고, 이로 인해 버너(30)의 연소화염이 위쪽으로 향하는 차이가 있다.
그러므로, 개질기 산화촉매(20)의 원뿔대 형상(21,210)은 버너(30)의 연소화염이 아래쪽을 향할 때에 비해 그 역으로 형성되는 차이 만 있고, 원뿔대 형상(21,210)을 이용한 작용과 효과는 모두 동일하게 된다.
전술된 바와 같이, 본 발명의 연료전지시스템은 전기를 생성하는 연료전지스택(40)으로 수소(H2)를 공급하고 더불어 미 사용된 AOG(Anode Off Gas)인 수소(H2)를 재순환시켜 연소하는 개질기(10)로 구성되되, 상기 개질기(10)에 구비된 개질기 산화촉매(20)가 그 내부공간으로 버너(30)의 연소화염을 유입할 수 있는 원뿔대 형상(21,210)을 더 형성함으로써, 연소화염의 열전달효율을 높이면서도 연소화염에 의한 열화 영향도 크게 줄여 내구성이 향상될 수 있다.
10 : 개질기 20 : 개질기 산화촉매
21,210 : 원뿔대 형상
30 : 버너 40 : 연료전지스택
50 : AOG노즐(Anode Off Gas Nozzle)
21,210 : 원뿔대 형상
30 : 버너 40 : 연료전지스택
50 : AOG노즐(Anode Off Gas Nozzle)
Claims (10)
- 버너에서 형성된 연소화염이 일정형상의 내부공간을 가진 개질기 산화촉매 내부에 형성되고, 상기 내부공간이 형성된 상기 개질기 산화촉매는 상기 연소화염과 직접 접촉하지 않고;
상기 일정형상은 원뿔대 형상인 것을 특징으로 하는 열적 취약성이 향상된 개질기 산화촉매.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서, 상기 원뿔대의 길이는 상기 개질기 산화촉매의 전체 길이와 일치하는 것을 특징으로 하는 열적 취약성이 향상된 개질기 산화촉매.
- 청구항 3에 있어서, 상기 원뿔대 형상의 횡단면에서 상기 개질기 산화촉매의 입구부로부터 상기 개질기 산화촉매의 출구부로 이어지는 연결선은 직선을 이루는 것을 특징으로 하는 열적 취약성이 향상된 개질기 산화촉매.
- 청구항 3에 있어서, 상기 원뿔대 형상의 횡단면에서 상기 개질기 산화촉매의 입구부로부터 상기 개질기 산화촉매의 출구부로 이어지는 연결선은 곡선을 이루는 것을 특징으로 하는 열적 취약성이 향상된 개질기 산화촉매.
- 청구항 1, 3 내지 5중 어느 한 항의 개질기 산화촉매가 개질촉매 가열을 위한 열원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 열적 취약성이 향상된 개질기.
- 청구항 6의 개질기가 적용된 연료전지 시스템.
- 개질기의 상부에서 상기 개질기의 아래로 향하는 버너의 연소화염이 형성되는 원뿔대 형상의 내부공간이 개질기 산화촉매에 형성되고, 상기 내부공간은 상기 연소화염과 직접 접촉하지 않아 열적 취약성이 향상된 상기 개질기 산화촉매가 개질촉매 가열을 위한 열원으로 사용되는 개질기와;
상기 개질기의 개질촉매에서 생성된 수소(H2)를 공급받아 발전하고, 미 사용된 AOG(Anode Off Gas)인 수소(H2)를 상기 산화촉매의 아래로 위치된 AOG노즐(Anode Off Gas Nozzle)로 보내 재순환시켜주는 연료전지스택;을 포함하고,
상기 개질기 산화촉매의 입구부 단면적 크기는 출구부 단면적 크기에 비해 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 개질기의 하부에서 상기 개질기의 위로 향하는 버너의 연소화염이 형성되는 원뿔대 형상의 내부공간이 개질기 산화촉매에 형성되고, 상기 내부공간은 상기 연소화염과 직접 접촉하지 않아 열적 취약성이 향상된 상기 개질기 산화촉매가 개질촉매 가열을 위한 열원으로 사용되는 개질기와;
상기 개질기의 개질촉매에서 생성된 수소(H2)를 공급받아 발전하고, 미 사용된 AOG(Anode Off Gas)인 수소(H2)를 상기 산화촉매의 아래로 위치된 AOG노즐(Anode Off Gas Nozzle)로 보내 재순환시켜주는 연료전지스택;을 포함하고,
상기 개질기 산화촉매의 입구부 단면적 크기는 출구부 단면적 크기에 비해 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 삭제
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Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020120015616A KR101341255B1 (ko) | 2012-02-16 | 2012-02-16 | 열적 취약성이 향상된 개질기 산화촉매와 이를 구비한 개질기 및 이와 함께 구성된 연료전지 시스템 |
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| KR1020120015616A KR101341255B1 (ko) | 2012-02-16 | 2012-02-16 | 열적 취약성이 향상된 개질기 산화촉매와 이를 구비한 개질기 및 이와 함께 구성된 연료전지 시스템 |
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Citations (4)
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| JP2005281097A (ja) | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Aisin Seiki Co Ltd | 改質装置 |
| KR20070076096A (ko) * | 2006-01-17 | 2007-07-24 | 삼성에스디아이 주식회사 | 이동가능한 열원을 갖는 연료개질 시스템 및 이를 구비한연료전지 시스템 |
| KR101093132B1 (ko) | 2009-06-19 | 2011-12-12 | 한국기계연구원 | 연료전지 스택으로부터 배출되는 미반응 연료를 이용한 개질기와 이를 채용한 연료전지 시스템, 및 연료전지 시스템의 구동 방법 |
-
2012
- 2012-02-16 KR KR1020120015616A patent/KR101341255B1/ko active IP Right Grant
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