KR101351859B1 - 고체산화물 연료전지용 원형 자열개질 반응기 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 원형 자열개질 반응기 Download PDF

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Abstract

반응촉매가 내부에 구비되며, 연료가스 및 공기가 일단으로 유입되는 원통형 반응기; 상기 원통형 반응기와 결합되어, 상기 원형 반응기의 타단으로부터 배출되는 반응가스가 유입되며, 내벽과 외벽이 형성된 원통형 열교환기; 및 상기 원통형 열교환기의 내벽 외주면을 상하방향으로 나선형으로 감싸며, 물이 주입된 후 제 1 가열되는 제 1 스팀라인;을 포함하며, 여기에서 상기 원통형 열교환기로 유입되는 반응가스의 열은 상기 제 1 스팀라인으로 전달되어, 상기 제 1 스팀라인 내부의 물을 가열하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기가 제공된다.

Description

고체산화물 연료전지용 원형 자열개질 반응기{Circular Auto Thermal Reformer for Solid Oxide Fuel Cells}
본 발명은 고체산화물 연료전지용 튜브형 자열개질 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사용연료 혼합부(Mixing Zone)를 포함한 반응기와 개질반응에 필요한 물을 기화하기 위한 기화기(열교환기)가 일체형으로 구성되며, 반응기내에서 개질반응 중에 발생한 열과 가스를 기화기에서 열교환을 통하여 물을 기화시킴으로써, 열 효율이 향상된 고체산화물 연료전지용 튜브형 자열개질 반응기에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 수소 또는 메탄올, 에탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다.
연료전지의 종류에는 대표적으로 고분자전해질형연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접메탄올연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell), 고온에서 작동되는 고체산화물형 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel cell)등이 있다.
이중 PEMFC의 기술적 단점인 낮은 CO농도 요구치, 복잡한 가습 시스템, 스택에서의 flooding 현상으로 인한 성능 저하 등의 문제점가지고 있으며 이를 SOFC로 대체할 경우 시스템이 간단해 짐으로써 가격 면에서 경쟁력을 가질 수 있다
이와 같은 연료전지는 수소를 연료로 사용 하고 있기 때문에 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연가스로부터 개질(Reforming)을 통하여 얻을 수 있으며 개질하기 위한 연료개질기 등의 부대설비를 필요로 한다. 이와 같은 연료개질기는 개질방식에 따라 스팀(수증기) 개질, 부분산화개질, 및 자열개질기로 분류할 수 있다. 이 중 자열 개질기(Auto Thermal reformer)는 개질과정이 빠르게 진행되며 반응 진행 시 발생하는 열의 회수방법을 모색 할 수 있다면 개질 효율을 높게 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한 수소 생성 효율이 높고 메탄이나 천연 가스 같이 짧은 탄소 체인을 가지고 있는 연료에 적합하다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 향상된 열 효율과 개질 효율이 우수한 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기로서, 반응촉매가 내부에 구비되며, 연료가스 및 공기가 일단으로 유입되는 원통형 반응기; 상기 원통형 반응기와 결합되어, 상기 원형 반응기의 타단으로부터 배출되는 반응가스가 유입되며, 내벽과 외벽이 형성된 원통형 열교환기; 및 상기 원통형 열교환기의 내벽 외주면을 상하방향으로 나선형으로 감싸며, 물이 주입된 후 제 1 가열되는 제 1 스팀라인;을 포함하며, 여기에서 상기 원통형 열교환기로 유입되는 반응가스의 열은 상기 제 1 스팀라인으로 전달되어, 상기 제 1 스팀라인 내부의 물을 가열하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 원통형 열교환기는 내부에 구비된 원통형 부재를 포함하며, 상기 원통형 부재의 외측면이 상기 원통형 열교환기의 내벽을 이루며, 상기 원통형 열교환기의 내벽과 외벽 사이로 상기 유입된 반응가스가 흐른다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기는, 상기 원통형 반응기의 외주면을 상하방향으로 나선형으로 감싸며, 상기 제 1 스팀라인이 일 단과 연결되어, 유체 연통하는 제 2 스팀라인을 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 스팀라인에서 가열된 물과 스팀은 상기 제 2 스팀라인의 일 단을 통하여 상기 제 2 스팀라인으로 유입되며, 상기 원통형 반응기에 의하여 발생한 열에 의하여 추가 가열된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 스팀라인의 타 단은 상기 원통형 반응기의 상단에 연결되며, 이로써 상기 제 2 스팀라인에서 추가 가열되어 생성된 스팀이 상기 원통형 반응기로 유입된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 추가 가열된 스팀은, 연료가스 및 공기와 혼합되어, 상기 원통형 반응기 내부에 구비된 상기 반응촉매와 접촉한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 원통형 반응기에는 전기식 히팅 코일이 구비되며, 상기 전기식 히팅 코일은 최초 운전시 유입되는 연료가스와 공기를 가열한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 자열개질 반응기는 자열개질반응을 통하여 발생하는 가스의 열을 이용하여 열적 손실을 최소화 시키면서, 자열개질반응에 필요한 물을 스팀으로 변환시킴으로 개질효율 향상과 열 회수 측면에서 우수하다. 더 나아가, 본 발명은, 자열개질반응기/기화기(열교환기)의 원통형 일렬 구조로 구성되어 있으며, 개질기의 열 효율을 향상시키고, 아울러 물을 가열시키는 보일러 사용을 최소화함으로써 개질기 크기를 소형화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 자열개질반응기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 열교환기(130)의 부분 단면도이다.
도 3 및 4는 본 발명이 또 다른 일 실시예에 따른 자열개질반응기의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시 예에 따른 고체산화물 연료전지용 자열개질기에 대하여 설명하기로 한다.
이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 상술한 종래 기술에 따른 자열개질 반응기의 효율 및 열 회수 등의 문제를 해결하기 위하여, 자열개질 반응기와 기화기(열교환기)를 결합시킨 구조의 자열개질 반응기를 제공한다. 즉, 본 발명에 따른 개질반응기로 공급되는 스팀을, 상기 자열개질반응기에서 발생한 열로 생성시키며, 이로써 자열개질반응기의 전체 열 효율을 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 자열개질반응기 중 원통형 반응기의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 자열개질반응기는 원통형으로써, 내부에 촉매, 예를 들어 모노리스 타입의 반응촉매(120)가 내부에 구비되는, 원통형 반응기(110)를 포함한다.
상기 원통형 반응기(110)의 일 단(도 1에서는 상단)에는 연료가스 및 공기가 주입되는 제 1 주입부(111)가 구비되며, 상기 제 1 주입부(111)와 연결된 라인(미도시)을 통하여, 연료가스 및 공기가 주입된다.
본 발명에 따른 자열개질 반응기의 상기 원통형 반응기(110)의 외주면에는 상기 촉매 반응으로부터 발생한 열로 외부에서 주입되는 물을 기화시키기 위한 스팀라인(제 2 스팀라인, 150)이 구비되며, 상기 제 2 스팀라인(150)은 상기 촉매 반응열로부터 물을 기화시킨다. 하지만, 본 발명자는 이러한 제 2 스팀라인(150) 자체로만은 충분히 물을 기화시켜, 스팀을 발생시키기 어렵다는 점에 주목하였고, 이러한 문제를 해결하기 위하여 원통형 반응기(110)와 연결되는 원통형 열교환기를 상기 원통형 반응기(110)와 직렬연결하였다. 상기 직렬연결된 원통형 열교환기는 상기 원통형 반응기(110)의 타단으로부터 반응가스(반응 후 고온가스)를 전달받아, 이를 열교환기 내에서 물을 가열(제 1 가열)시킨다. 즉, 물의 이동경로상 열교환기 내의 가열은 제 1 가열, 이후 원통형 반응기(110)의 제 2 스팀라인(150)에서의 가열은 제 2 가열이 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 열 교환기(130)의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 원통형 열 교환기(130)는 상기 원통형 반응기(110)와 연결되는 원통형 외벽(131)을 포함하며, 상기 원통형 외벽(131)의 일 단으로 반응가스가 유입되며, 상기 반응가스는 도 1의 원통형 반응기(110)의 타단으로부터 유입됨은 상술한 바와 같다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 원통형 열교환기(130)의 내부에는 원통형의 부재(132)가 구비되며, 상기 원통형 부재(132)는 막힌 부재로서, 상기 유입되는 반응가스의 이동 경로를 변경시킨다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서 상기 내부 삽입 부재(132)의 외주면은 상기 원통형 열교환기(130)의 내벽을 이루게 되며, 상기 원통형 열교환기(130)의 내벽과 외벽 사이의 공간으로 반응가스는 흐르게 된다(도 2에서 화살표 참조).
따라서, 본 발명의 일 실시예에서 상기 원통형 열교환기(130)의 내벽 외주면에는 상기 이동하는 고온의 반응가스로부터 열을 전달받는 튜브, 즉, 제 1 스팀라인(140)이 구비된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 스팀라인(140)은 상기 원통형 열교환기(130) 내벽의 외주면을 상하로 권취하는 코일 형태로서, 상기 코일 형태의 제 1 스팀라인의 하단으로 액체 상태인 물이 주입된다.
도 3 및 4는 본 발명이 또 다른 일 실시예에 따른 자열개질반응기의 단면도 이다.
도 3 및 4를 참조하면, 도 1과 동일하게 원통형 반응기(110)와, 상기 원통형 반응기(110)와 직렬 형태로 연결된 원통형 열교환기(130)가 개시되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 자열개질반응기는 상기 원통형 열교환기(130) 내벽의 외주면에는, 상하 방향으로 권취되어, 상기 원통형 열교환기(130)로부터 열을 전달받는 제 1 스팀라인(140)을 포함한다(도 4 참조). 더 나아가, 상기 제 1 스팀라인(140)은, 상기 원통형 반응기(110)의 외주면과 동일 방식으로 접촉하는 제 2 스팀라인(150)과 유체연통하도록 연결되며, 이는 도 3의 141 라인을 통하여 구현된다. 이로써, 원통형 열교환기(130)의 열에 의하여 제 1 가열된 물 또는 스팀은 상기 제 1 스팀라인(140)을 통하여, 제 2 스팀라인(150)의 일 단으로 주입라인 (141)을 통하여 유입된다. 이후, 상기 제 2 스팀라인(150)의 일 단으로 유입된 물 또는 스팀은 다시 상기 원통형 반응기의 반응열에 의하여 추가 가열(제 2 가열)되어, 상기 원통형 반응기(110)로 주입라인(142)를 통하여 유입된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 스팀라인(150)의 타 단, 즉 주입라인 142의 단부는 상기 원통형 반응기의 상단, 보다 바람직하게는 상기 원통형 반응기(110) 내부의 촉매 (120)의 상단에 연결되며, 이로써 상기 제 2 스팀라인에서 추가 가열되어 생성된 스팀은 상기 원통형 반응기(110)의 상단으로 유입되는 연료가스, 공기와 혼합되어, 상기 원통형 반응기 내부에 구비된 상기 반응촉매와 접촉한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 원통형 반응기(110) 내에 구비되는 촉매는 귀금속(팔라듐 계열, 백금 계열, 루세늄 계열)의 복합산화물 촉매로, 펠렛형태의 형상을 갖는 촉매와 상기 귀금속을 원료로 하는 코팅물질을 이용하여 제작한 모노리스 형태의 촉매일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자열개질 반응기에서, 원통형 반응기와 원통형 열교환기 사이의 밀봉은 매우 중요하므로, 본 발명의 일 실시예에서는 흑연 계열의 가스켓을 사용하여, 원통형 반응기와 원통형 열교환기를 밀봉하였다.
본 발명은 또한 초기 스팀이 형성되지 않아 충분한 반응온도가 상기 원통형 반응기(110) 내에서 형성되지 않는 문제를 해결하기 위하여, 상기 원통형 반응기의 상기 촉매 구비 영역 상단에 전기식 히팅 코일(미도시)이 구비된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 전기식 히팅 코일은, 자열개질반응기의 최초 운전시, 반응 촉매를 가열하여, 반응촉매에 의한 개질을 유도하게 된다.
본 발명은 상기 설명한 바와 같이 스팀라인을 2개로 구성하며, 이로써 스팀에 의한 반응기의 가열 또는 가열된 반응기에 의한 스팀의 추가 가열을 유도하며, 이로써 개질반응기의 효율이 향상된다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기로서,
    반응촉매가 내부에 구비되며, 연료가스 및 공기가 일단으로 유입되는 원통형 반응기;
    상기 원통형 반응기와 결합되어, 상기 원형 반응기의 타단으로부터 배출되는 반응가스가 유입되며, 내벽과 외벽이 형성된 원통형 열교환기; 및
    상기 원통형 열교환기의 내벽 외주면을 상하방향으로 나선형으로 감싸며, 물이 주입된 후 제 1 가열되는 제 1 스팀라인;을 포함하며, 여기에서 상기 원통형 열교환기로 유입되는 반응가스의 열은 상기 제 1 스팀라인으로 전달되어, 상기 제 1 스팀라인 내부의 물을 가열하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 원통형 열교환기는 내부에 구비된 원통형 부재를 포함하며, 상기 원통형 부재의 외측면이 상기 원통형 열교환기의 내벽을 이루며, 상기 원통형 열교환기의 내벽과 외벽 사이로 상기 유입된 반응가스가 흐르는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기는,
    상기 원통형 반응기의 외주면을 상하방향으로 나선형으로 감싸며, 상기 제 1 스팀라인이 일 단과 연결되어, 유체 연통하는 제 2 스팀라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 스팀라인에서 가열된 물과 스팀은 상기 제 2 스팀라인의 일 단을 통하여 상기 제 2 스팀라인으로 유입되며, 상기 원통형 반응기에 의하여 발생한 열에 의하여 추가 가열되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 2 스팀라인의 타 단은 상기 원통형 반응기의 상단에 연결되며, 이로써 상기 제 2 스팀라인에서 추가 가열되어 생성된 스팀이 상기 원통형 반응기로 유입되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 추가 가열된 스팀은, 연료가스 및 공기와 혼합되어, 상기 원통형 반응기 내부에 구비된 상기 반응촉매와 접촉하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 원통형 반응기에는 전기식 히팅 코일이 구비되며, 상기 전기식 히팅 코일은 최초 운전시 유입되는 연료가스와 공기를 가열하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 자열개질 반응기.
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