KR101571982B1 - 연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있는 개질기 - Google Patents

연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있는 개질기 Download PDF

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Abstract

연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있는 개질기에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 개질기는 탄화수소계 연료와 물이 반응하여 수소와 일산화탄소를 생성하는 개질부; 상기 개질부로부터 배출되는 가스에 포함된 일산화탄소와 물이 반응하여 수소와 이산화탄소를 생성하는 형태로 일산화탄소를 1차 제거하는 수성가스전이부; 상기 수성가스전이부로부터 배출되는 가스에 포함된 일산화탄소와 외부에서 공급되는 공기에 포함된 산소가 반응하여 이산화탄소를 생성하는 형태로 일산화탄소를 2차 제거하는 제1 선택적 산화부; 및 상기 제1 선택적 산화부로부터 배출되는 가스가 갖는 열을 회수하는 폐열 회수용 열교환기를 포함하고, 상기 폐열 회수용 열교환기에는, 상기 제1 선택적 산화부로부터 배출되는 가스에 포함되는 일산화탄소와 외부에서 공급되는 공기에 포함된 산소가 반응하여 이산화탄소를 생성하는 형태로 일산화탄소를 3차 제거하는 제2 선택적 산화부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있는 개질기 {REFOMER WITH IMPROVING DURABILITY OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템의 스택에 수소를 공급하기 위한 개질기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택에 공급되는 가스 중 일산화탄소(CO)를 제거하여 연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있는 개질기에 관한 것이다.
석탄, 석유 등 화석 연료가 점차 고갈됨에 따라, 화석 연료를 대체하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.
이러한 연구의 일환으로, 연료전지가 많은 주목을 받고 있다.
연료전지 시스템은 크게 개질기와 스택을 포함한다.
스택에서 전기 에너지를 얻기 위해서는 스택에 수소(H2) 공급이 필요하며, 개질기는 천연가스와 같은 연료를 개질하여 수소를 발생시켜 스택에 공급하는 역할을 한다.
도 1은 일반적인 개질기에서의 가스 흐름을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 개질기에서는 다음과 같은 순서로 개질이 수행된다.
우선, 천연가스와 같은 연료가 탈황기(110)를 통과하면서 황(S) 성분이 제거된다. 이후, 고온 개질부(Steam Reforming; SR)(120)에서 연료와 기화된 다량의 물(H2O)이 반응하여 수소(H2)가 생산되고, 부산물로서 일산화탄소(CO)가 함께 생산된다.
생성된 일산화탄소 중 일부는, 일산화탄소와 물을 반응시켜 H2와 CO2를 생성하는 수성가스전이부(water-gas-shift; WGS)(130)에서 제거된다. 그 후, 잔류하는 일산화탄소 중 대부분은, 일산화탄소와 산소(O2)를 반응시켜 이산화탄소를 생성하는 선택적 산화부(Preferential Oxidation; PrOx)(140)에서 제거된다.
그리고, 선택적 산화부(140)에서 배출되는 가스는 폐열 회수용 열교환기(150)를 거친다.
한편, 스택에 공급되는 가스 중 일산화탄소가 많을수록 불필요한 화학반응이 많이 발생하며, 이 경우 연료전지 시스템의 내구성이 저하되는 요인이 된다.
일산화탄소 가스는 연료전지 시스템 시동시나 부하 변동시에 스택으로 유입될 가능성이 높다. 즉, 시스템 시동시나 부하 변동시에는 개질기 내부 물질들의 균형이나 열 균형이 깨질 수 있으며, 이 경우 수성가스전이 반응 및 선택적 산화 반응이 완전치 못하게 되므로 스택으로 일산화탄소 가스가 유입될 가능성이 높다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1293856호(2013.08.07. 공고)에 개시된 물 예열 온도 상승을 통하여 개질 효율이 우수한 연료전지용 개질기가 있다.
본 발명의 목적은 스택에 공급되는 가스 중 일산화탄소(CO)를 최대한 억제함으로써 연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있는 개질기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 개질기는 탄화수소계 연료와 물(H2O)이 반응하여 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 생성하는 개질부; 상기 개질부로부터 배출되는 가스에 포함된 일산화탄소와 물이 반응하여 수소와 이산화탄소(CO2)를 생성하는 형태로 일산화탄소를 1차 제거하는 수성가스전이부; 상기 수성가스전이부로부터 배출되는 가스에 포함된 일산화탄소와 외부에서 공급되는 공기에 포함된 산소(O2)가 반응하여 이산화탄소를 생성하는 형태로 일산화탄소를 2차 제거하는 제1 선택적 산화부; 및 상기 제1 선택적 산화부로부터 배출되는 가스가 갖는 열을 회수하는 폐열 회수용 열교환부를 포함하고, 상기 폐열 회수용 열교환부에는, 상기 제1 선택적 산화부로부터 배출되는 가스에 포함되는 일산화탄소와 외부에서 공급되는 공기에 포함된 산소가 반응하여 이산화탄소를 생성하는 형태로 일산화탄소를 3차 제거하는 제2 선택적 산화부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1 선택적 산화부는 130~200℃에서 선택적 산화반응이 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 선택적 산화부는 루테늄(Ru)계 촉매를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 선택적 산화부는 100~110℃에서 선택적 산화반응이 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 선택적 산화부는 백금(Pt)계 촉매를 포함할 수 있다.
또한, 상기 개질기는 외부 공기를 압송하는 블로워와, 입구가 상기 블로워와 연결되고, 출구가 상기 제1 선택적 산화부 및 제2 선택적 산화부 각각에 연결되는 공기 분배기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐열 회수용 열교환부는 폐열 회수용 열교환기와 제2 선택적 산화부가 하나의 관형 몸체 내에 형성되어 있을 수 있다. 바람직하게는, 상기 폐열 회수용 열교환부는, 관형 몸체와, 상기 관형 몸체 내부에, 상하 방향으로 형성되어 제1 선택적 산화부로부터 배출되는 가스가 이동하는 가스 이동부와, 상기 가스 이동부 외측에 형성되어, 열교환을 통하여 상기 제1 선택적 산화부로부터 배출되는 가스가 갖는 열을 회수하는 열교환부와, 상기 가스 이동부 내에 형성되는 촉매부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 폐열회수용 열교환부에 제2 선택적 산화부를 형성함으로써 스택으로 공급되는 일산화탄소를 최대한 억제할 수 있다. 이를 통하여, 연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있다.
아울러, 제2 선택적 산화부를 개질기 생성 가스가 갖는 폐열을 회수하는 열교환기 내부에 형성함으로써 개질기 사이즈를 작게 할 수 있으며, 이에 따라 개질기 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 일반적인 개질기에서의 가스 흐름을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 개질기에서의 가스 흐름을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 폐열회수용 열교환부의 구조를 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, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있는 개질기에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 개질기에서의 가스 흐름을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 개질기는 개질부(220), 수성가스전이부(230), 제1 선택적 산화부(240) 및 폐열 회수용 열교환부(250)을 포함한다. 특히, 본 발명에서는 폐열 회수용 열교환부(250)에 폐열 회수용 열교환기(251) 및 제2 선택적 산화부(252)를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 개질기는 연료에 포함된 황을 제거하기 위한 탈황기(210)를 더 포함할 수 있으며, 도면에는 도시하지 않았지만 개질 반응에 필요한 열을 제공하기 위한 버너를 더 포함할 수 있다.
개질부(Steam Reforming; SR)(220)에서는 아래 반응식 1과 같이, 천연가스와 같은 탄화수소계 연료와 수증기, 즉 기화된 상태의 물(H2O)이 반응하여 수소(H2)를 생성한다. 개질부(220)에서는 수소 뿐만 아니라 일산화탄소(CO)도 부산물로서 생성된다.
반응식 1 : CH4 + H2O → H2 + CO + CO2 + CH4 + H2O
수성가스전이부(water-gas-shift; WGS)(230)는 개질부(220)로부터 배출되는 가스에 포함된 일산화탄소와 물이 반응하여, 아래 반응식 2와 같이, 수소와 이산화탄소(CO2)를 생성하는 형태로 일산화탄소를 1차 제거한다.
반응식 2 : CO + H2O → H2 + CO2
제1 선택적 산화부(Preferential Oxidation; PrOx)(240)는 수성가스전이부(230)로부터 배출되는 가스에 포함된 일산화탄소와, 외부에서 블로워를 통하여 공급되는 공기에 포함된 산소(O2)가 반응하여, 아래 반응식 3과 같이, 이산화탄소를 생성하는 형태로 일산화탄소를 2차 제거한다.
반응식 3 : CO + 1/2O2 → CO2
제1 선택적 산화부(240)는 130~200℃에서 선택적 산화반응이 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 선택적 산화부(240)는 상기 온도에서 활성화되는 루테늄(Ru)계 촉매를 포함할 수 있다.
그리고, 폐열 회수용 열교환부(250)는 기본적으로 열교환을 통하여 제1 선택적 산화부(240)로부터 배출되는 가스가 갖는 열을 회수하기 위한 폐열 회수용 열교환기(251)를 포함한다. 제1 선택적 산화부(240)로부터 배출되는 가스는 대략 100℃ 정도의 열을 함유하고 있는 바, 폐열 재활용 측면에서 열교환을 통하여 폐열을 회수할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 개질기에서, 폐열 회수용 열교환부(250)에는, 제1 선택적 산화부(240)로부터 배출되는 가스에 포함되는 일산화탄소와, 외부에서 공급되는 공기에 포함된 산소가 반응하여, 상기의 반응식 3과 같이, 이산화탄소를 생성하는 형태로 일산화탄소를 3차 제거하는 제2 선택적 산화부(252)가 형성되어 있다.
이때, 상기 제2 선택적 산화부(252)는 100~110℃에서 선택적 산화반응이 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 선택적 산화부(252)는 상기 온도에서 활성화되는 백금(Pt)계 촉매를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 경우, 제1 선택적 산화부(240) 및 제2 선택적 산화부(252)에 공기가 공급된다. 공기 공급을 위해서는 블로워(blower)가 필요하다. 블로워는 선택적 산화부 수만큼 구비될 수 있으나, 개질기 사이즈 감소 및 비용 절감 측면에서 1개의 블로워만 사용하여 제1 선택적 산화부(240) 및 제2 선택적 산화부(252)에 공기를 제공하는 것이 보다 바람직하다.
1개의 블로워만 사용하여 제1 선택적 산화부(240) 및 제2 선택적 산화부(252)에 공기를 제공하기 위해서, 본 발명에 따른 개질기는 외부 공기를 압송하는 1개의 블로워와, 입구가 상기 블로워와 연결되고, 출구가 제1 선택적 산화부(240) 및 제2 선택적 산화부(252) 각각에 연결되어, 정해진 비율로 각각의 선택적 산화부에 공기를 분배하는 공기 분배기를 더 포함할 수 있다.
폐열 회수용 열교환부(250)는 폐열 회수용 열교환기(251)와 제2 선택적 산화부(252)가 하나의 관형 몸체 내에 형성되어 있을 수 있다. 보다 구체적인 폐열 회수용 열교환부(250)의 구조는 도 3에서 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 폐열회수용 열교환부의 구조를 나타낸 것이다. 도 3의 (a)는 폐열회수용 열교환부의 내부 단면을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 3의 (b)는 폐열회수용 열교환부의 외관을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 폐열 회수용 열교환부(250)는, 관형 몸체, 가스 이동부(311, 312), 열교환부(321, 322, 323) 및 촉매부(330)를 포함한다.
가스 이동부는 제1 선택적 산화부 배출가스 공급부(311)와 제2 선택적 산화부 배출가스 배출부(312)를 포함하여, 열을 갖는 가스가 공급되고, 열교환된 가스가 배출되는 공간에 해당된다. 가스 이동부는 관형 몸체 내부에, 상하 방향으로 형성될 수 있다.
열교환부는 가스 이동부 외측에 형성되어, 열교환을 통하여 제1 선택적 산화부로부터 배출되는 가스가 갖는 열을 회수한다. 이를 위하여, 열교환부는 열교환 수관 입구(321), 열교환 수관(322) 및 열교환 수관 출구(323)를 포함할 수 있다.
촉매부(330)는 전술한 가스 이동부 내에 형성된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 개질기의 경우, 선택적 산화부를 2단으로 구성함으로써, 연료전지 시스템의 스택에 공급되는 개질 가스 내에 일산화탄소 양을 극소화할 수 있다.
이를 통하여, 연료전지 시스템 시동시, 부하 변동시 일산화탄소 함량 증가 가능성이 높은 경우에도, 제1 선택적 산화부 및 제2 선택적 산화부를 통해 일산화탄소를 충분히 제거할 수 있으며, 그 결과, 연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 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 : 탈황기
120 : 개질부
130 : 수성가스전이부
140 : 선택적 산화부
150 : 폐열 회수용 열교환기
210 : 탈황기
220 : 개질부
230 : 수성가스전이부
240 : 제1 선택적 산화부
250 : 폐열 회수용 열교환부
251 : 폐열 회수용 열교환기
252 : 제2 선택적 산화부
311 : 제1 선택적 산화부 배출가스 공급부
312 : 제2 선택적 산화부 배출가스 배출부
321 : 열교환 수관 입구
322 : 열교환 수관
323 : 열교환 수관 출구
330 : 촉매부

Claims (8)

  1. 탄화수소계 연료와 물(H2O)이 반응하여 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 생성하는 개질부;
    상기 개질부로부터 배출되는 가스에 포함된 일산화탄소와 물이 반응하여 수소와 이산화탄소(CO2)를 생성하는 형태로 일산화탄소를 1차 제거하는 수성가스전이부;
    상기 수성가스전이부로부터 배출되는 가스에 포함된 일산화탄소와 외부에서 공급되는 공기에 포함된 산소(O2)가 반응하여 이산화탄소를 생성하는 형태로 일산화탄소를 2차 제거하는 제1 선택적 산화부; 및
    상기 제1 선택적 산화부로부터 배출되는 가스가 갖는 열을 회수하는 폐열 회수용 열교환기를 포함하는 폐열 회수용 열교환부를 포함하고,
    상기 폐열 회수용 열교환부에는, 상기 제1 선택적 산화부로부터 배출되는 가스에 포함되는 일산화탄소와 외부에서 공급되는 공기에 포함된 산소가 반응하여 이산화탄소를 생성하는 형태로 일산화탄소를 3차 제거하는 제2 선택적 산화부가 형성되어 있고,
    상기 폐열 회수용 열교환기와 상기 제2 선택적 산화부가 하나의 관형 몸체 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 개질기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 선택적 산화부는 130~200℃에서 선택적 산화반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 개질기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 선택적 산화부는 루테늄(Ru)계 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 개질기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 선택적 산화부는 100~110℃에서 선택적 산화반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 개질기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 선택적 산화부는 백금(Pt)계 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 개질기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 개질기는
    외부 공기를 압송하는 블로워와,
    입구가 상기 블로워와 연결되고, 출구가 상기 제1 선택적 산화부 및 제2 선택적 산화부 각각에 연결되는 공기 분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개질기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 폐열 회수용 열교환부는
    관형 몸체와,
    상기 관형 몸체 내부에, 상하 방향으로 형성되어 제1 선택적 산화부로부터 배출되는 가스가 이동하는 가스 이동부와,
    상기 가스 이동부 외측에 형성되어, 열교환을 통하여 상기 제1 선택적 산화부로부터 배출되는 가스가 갖는 열을 회수하는 열교환부와,
    상기 가스 이동부 내에 형성되는 촉매부를 포함하는 것을 특징으로 하는 개질기.
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CN109133004A (zh) * 2018-09-25 2019-01-04 浙江工业职业技术学院 一种氢能源动力汽车用氢气制造设备
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