KR101613859B1 - 연료전지 시스템용 통합형 개질기 - Google Patents

연료전지 시스템용 통합형 개질기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 시스템용 통합형 개질기는 개질반응실이 구비된 반응채널에서 연료전지 스택에서 발생되는 고온의 배기가스의 열과 열교환 과정을 통해 혼합가스의 발생 및 혼합가스로부터 수소가스의 발생을 함께 할 수 있도록 가열채널과 반응채널을 각각 복수개 교대로 배열시켜 개질반응 효율 및 열 효율을 극대화 시키며 개질기를 보다 컴팩트한 구조로 이루어지도록 함은 물론 촉매 투출구를 구성하여 수명을 다한 촉매를 손쉽게 교환할 수 있도록 한 것이다.
본 발명 연료전지 시스템용 통합형 개질기는 하부에서 공급되어 상부로 배출되는 고온의 배기가스에서 열을 회수하기 위한 가열채널(100)과, 내부로 공급되는 물과 연료가 상기 가열채널(100)의 열과 열교환되면서 변환된 혼합가스로부터 개질 촉매 반응을 통해 수소가스를 발생시키는 반응채널(110)이 두 개의 외측 보호판(150) 사이에 횡방향이며 교대로 복수개가 배열되어 구비된 개질부(10);
상기 개질부(10)의 하부와 상부에 구비되어 고온의 배기가스를 상기 가열채널(100)로 공급하고 배출시키는 배기가스 유입부(20) 및 배기가스 배출부(30);
상기 개질부(10)의 일측 상부에 구비되며, 상기 반응채널(110) 내부로 물을 공급하는 다수개의 분사관(410)이 내부에 형성된 물유입부(40);
상기 물유입부(40)가 설치된 개질부(10)의 타측면 상부에 구비되되, 상기 물유입부(40) 보다 하부에 위치하며 반응채널(110) 내부로 연료를 공급하는 연료유입부(50);
상기 개질부(10)의 일측면 하부에 구비되어 상기 개질부(10)의 반응채널()에서 발생되는 수소가스를 배출시키는 수소가스 배출부(60);
상기 개질부(10)의 타측면 하부에 구비되되, 상기 수소가스 배출부(60) 보다 상부에 위치하며, 덮개(710)에 의해 개폐가능하여 촉매(C)를 반응채널(110)에 투입 및 배출시킬 수 있는 촉매투출구(70)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 시스템용 통합형 개질기{Integrated Reformer for Fuel Cell System}
본 발명에 따른 연료전지 시스템용 통합형 개질기는 개질반응실이 구비된 반응채널에서 연료전지 스택에서 발생되는 고온의 배기가스의 열과 열교환 과정을 통해 혼합가스의 발생 및 혼합가스로부터 수소가스의 발생을 함께 할 수 있도록 가열채널과 반응채널을 각각 복수개 교대로 배열시켜 개질반응 효율 및 열 효율을 극대화 시키며 개질기를 보다 컴팩트한 구조로 이루어지도록 함은 물론 촉매 투출구를 구성하여 수명을 다한 촉매를 손쉽게 교환할 수 있도록 한 것이다.
전기, 전자 기술을 비롯한 과학 기술의 발달에 따라 많은 종류의 에너지원이 개발되어 사용되고 있다. 특히, 에너지의 사용은 매년 그 수요가 급증하고 있으며, 이러한 에너지를 생산시키기 위한 방법으로는 화석연료, 원자력, 수력, 풍력 등을 이용한 에너지 생산수단이 이용되고 있다. 그러나, 화석연료를 태움으로서 생기는 배기가스에 의한 환경오염문제와 화석연료 고갈에 의한 에너지 위기 등에 대처하기 위하여 무공해 대체에너지 개발을 위한 노력이 전 세계적으로 진행되고 있다.
대체에너지로서의 수소 연료의 사용은 무공해 대체에너지로서 지구상에 존재하는 무한한 자원의 활용으로서 그 의미가 있으며, 수소 연료를 사용하는 연료전지는 수소에너지 응용기술의 핵심으로 수소 연료로부터 전기를 직접생산하는 개념으로서 전기자동차, 가정용, 발전용 등에 사용될 수 있는 대체 발전수단으로, 수소 가스와 공기를 연료로 공급하고, 한 쌍의 전극 사이에서 전기화학반응에 의하여 발전하는 수단이다.
상기 연료전지의 원료가 되는 수소 가스를 얻는 방법으로는 우선적으로 전기 자동차용, 가정용 등에서 연료전지를 사용할 경우에 대비하여 현재 쉽게 공급되고 있는 메탄이 주성분인 도시가스, 천연가스로부터 개질기를 이용한 방법을 사용하여 순수한 수소를 효율적으로 생산하게 되는 것이다.
메탄으로부터 수소를 생산하는 개질기의 원리를 설명하면, 개질기 내부는 화학 반응을 위한 촉매가 탑재되어 있으며, 수증기개질반응기 모듈에서 메탄가스가 수증기와 반응하여 주요 성분인 수소와 반응으로 인해 생긴 일산화탄소와 이산화탄소, 그리고 반응이 되지 않고 남은 메탄 등을 얻은 것이다.
종래의 개질기는 장치 하부에 한 개의 버너가 설치되어 있으며, 이 버너로부터 발생되는 열에 의해 각 모듈들을 가열하여 각 모듈들에 저장된 촉매에 의해 화학 반응을 촉진시키고 있다. 그러나 최하부에 설치된 버너를 이용하여 상부에 설치된 각 모듈들을 가열하는 방법은 연료 및 공기를 버너에 공급하는 장치를 구성해야 하는 단점이 있으며, 연료를 이용함으로써 시스템 전체의 연료이용 효율을 떨어뜨리는 문제를 야기시키고, 또한 혼합가스 생성을 위한 열교환기와 혼합가스로부터 수소가스를 발생시키기 위한 개질기를 각각 설치하여야 하므로 연료전지 시스템의 크기가 증가되는 단점이 있다.
[특허문헌]
국내등록특허 제10-0551061호(2006.02.03)
국내등록특허 제10-0671671호(2007.01.12)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 혼합가스 발생을 위한 열교환기의 역할과 혼합가스로부터 수소가스를 발생하는 개질기의 역할을 본 발명의 반응채널에 구비된 개질반응실에서 함께 할 수 있도록 구조를 단순히하여 개선한 연료전지 시스템용 통합형 개질기에 관한 것이다.
또한 연료전지 스택에서 발생되는 고온의 배기가스와 지속적인 열교환을 통해 연소기, 버너, 전기 히터 등 별도의 외부 열원 없이도 혼합가스의 발생과 혼합가스로 부터 개질 반응 가능케 함으로써 연료전지 시스템의 연료 이용효율 증대 및 소형화에 유리한 연료전지 시스템용 통합형 개질기를 제공하는데 목적이 있다.
또한 가열채널과 반응채널을 횡방향이며 교대로 복수개 배열되게 구성하여 배기가스의 열전달 면적을 늘리고 혼합가스를 골고루 확산시켜 공급할 수 있는 연료전지 시스템용 통합형 개질기를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명 연료전지 시스템용 통합형 개질기는 하부에서 공급되어 상부로 배출되는 고온의 배기가스에서 열을 회수하기 위한 가열채널(100)과, 내부로 공급되는 물과 연료가 상기 가열채널(100)의 열과 열교환되면서 변환된 혼합가스로부터 개질 촉매 반응을 통해 수소가스를 발생시키는 반응채널(110)이 두 개의 외측 보호판(150) 사이에 횡방향이며 교대로 복수개가 배열되어 구비된 개질부(10);
상기 개질부(10)의 하부와 상부에 구비되어 고온의 배기가스를 상기 가열채널(100)로 공급하고 배출시키는 배기가스 유입부(20) 및 배기가스 배출부(30);
상기 개질부(10)의 일측 상부에 구비되며, 상기 반응채널(110) 내부로 물을 공급하는 다수개의 분사관(410)이 내부에 형성된 물유입부(40);
상기 물유입부(40)가 설치된 개질부(10)의 타측면 상부에 구비되되, 상기 물유입부(40) 보다 하부에 위치하며 반응채널(110) 내부로 연료를 공급하는 연료유입부(50);
상기 개질부(10)의 일측면 하부에 구비되어 상기 개질부(10)의 반응채널()에서 발생되는 수소가스를 배출시키는 수소가스 배출부(60);
상기 개질부(10)의 타측면 하부에 구비되되, 상기 수소가스 배출부(60) 보다 상부에 위치하며, 덮개(710)에 의해 개폐가능하여 촉매(C)를 반응채널(110)에 투입 및 배출시킬 수 있는 촉매투출구(70)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 반응채널의 개질반응실에서 기존 연료전지 시스템에 각각 설치되는 열교환기와 개질기의 역할인 혼합가스 및 수소가스의 발생을 함께 할 수 있어 연료전지 시스템의 크기를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 배기가스의 열을 회수하기 위한 가열채널과 혼합가스 및 수소가스의 발생을 위한 반응채널의 구조를 단순히 하여 제작이 용이하고 및 제작 비용이 절감되는 효과가 있다.
또한 연료전지 스택에서 발생한 고온의 배기가스를 이용하기 때문에 버너, 전기히터 등 별도의 외부 열원 없이도 혼합가스의 발생 및 혼합가스로부터 수소가스를 발생시킬 수 있으므로 콤팩트한 개질기를 제작할 수 있는 효과가 있다.
도1 본 발명의 연료전지 시스템용 통합형 개질기가 사용되는 연료전지 시스템의 개략도
도2 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 통합형 개질기의 사시도
도3 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 통합형 개질기의 정면도
도4 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 통합형 개질기의 개질부 사시도
도5 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 통합형 개질기의 개질부 분해도
도6 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 통합형 개질기의 가열채널 정면도
도7 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 통합형 개질기의 반응채널 정면도
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명 연료전지 시스템용 통합형 개질기는 하부에서 공급되어 상부로 배출되는 고온의 배기가스에서 열을 회수하기 위한 가열채널(100)과, 내부로 공급되는 물과 연료가 상기 가열채널(100)의 열과 열교환되면서 변환된 혼합가스로부터 개질 촉매 반응을 통해 수소가스를 발생시키는 반응채널(110)이 두 개의 외측 보호판(150) 사이에 횡방향이며 교대로 복수개가 배열되어 구비된 개질부(10);
상기 개질부(10)의 하부와 상부에 구비되어 고온의 배기가스를 상기 가열채널(100)로 공급하고 배출시키는 배기가스 유입부(20) 및 배기가스 배출부(30);
상기 개질부(10)의 일측 상부에 구비되며, 상기 반응채널(110) 내부로 물을 공급하는 다수개의 분사관(410)이 내부에 형성된 물유입부(40);
상기 물유입부(40)가 설치된 개질부(10)의 타측면 상부에 구비되되, 상기 물유입부(40) 보다 하부에 위치하며 반응채널(110) 내부로 연료를 공급하는 연료유입부(50);
상기 개질부(10)의 일측면 하부에 구비되어 상기 개질부(10)의 반응채널()에서 발생되는 수소가스를 배출시키는 수소가스 배출부(60);
상기 개질부(10)의 타측면 하부에 구비되되, 상기 수소가스 배출부(60) 보다 상부에 위치하며, 덮개(710)에 의해 개폐가능하여 촉매(C)를 반응채널(110)에 투입 및 배출시킬 수 있는 촉매투출구(70)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시 할 수 있도록 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 설명하기로 한다.
도1에 도시된 바와 같이 본 발명 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 설명하면, 연료전지 시스템에서 전기에너지를 생성하기 위해서는 스택의 애노드 극에는 수소가스와, 캐소드 극에는 산소 공급이 필요하며, 애노드 극와 캐소드 극에 공급된 수소가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 연료전지 스택에서는 전기 에너지와 부수물로 캐소드 극에서 고온의 배기가스가 생성된다.
그리고 캐소드 극에서 생성된 고온의 배기가스는 벤트를 통해 대기로 방출되는데, 본 발명에서는 연료전지 시스템의 효율을 더욱 높여주기 위해 캐소드 극에서 생성된 고온의 배기가스를 개질기에 공급하며, 개질기에서는 배기가스의 열과 열교환을 통해 수소가스를 발생시키고, 개질기에서 발생된 수소가스는 전기 에너지의 생성에 필요한 애노드 극으로 공급되어 사용된다.
이때, 개질기에서 열교환된 후 배출되는 배기가스는 마지막으로 벤트를 통해 외부로 배출된다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 통합형 개질기의 각 구성요소들을 도2 내지 도7을 참고하여 상세히 설명하면, 본 발명은 공급되는 물 및 연료를 혼합가스로 변환시키고, 변환된 혼합가스를 개질 반응시켜 수소가스를 발생시키기 위한 개질부(10), 상기 개질부(10)에서 열교환을 시켜줄 고온의 배기가스를 유입 및 배출시켜주기 위한 배기가스유입부(20) 및 배기가스배출부(30), 개질부(10) 내로 물을 공급하기 위한 물 유입부(40), 개질부(10) 내부로 연료를 공급하기 위한 연료 유입부(50), 개질부(10)에서 발생된 수소가스를 배출시키기 위한 수소가스배출부(60), 혼합가스를 수소가스로 개질반응 시키는 촉매(C)를 개질부(10) 내부로 투입 및 배출시키기 위한 촉매투출구(70)로 구성되어 이루어진다.
상기 개질부(10)는 열전달 면적을 최대한 늘리면서 개질기(1)의 사이즈를 소형화 하기 위해 두 개의 사각판 형상인 외측 보호판(150) 사이에 고온의 배기가스가 유입되어 통과되는 가열채널(100)과 물과 연료를 공급받고 공급된 물과 연료를 가열채널(100)의 배기가스 열과 열교환시켜 혼합가스로 변환 시킨 후 변환된 혼합가스로부터 개질 촉매반응을 통해 수소가스를 발생시키는 반응채널(110)이 횡방향이며 교대로 복수개 밀착되게 배열되어 고온의 배기가스와 물 및 연료가 각 가열채널(100)과 반응채널(110)에 골고루 확산되어 공급되므로 배기가스와 물 및 연료의 공급에 의한 개질부(10)의 열전달 면적을 늘려 높은 효율을 낼 수 있는 구성이다.
상기 가열채널(100)은 상기 외측 보호판(150)과 동일한 사각 판형상의 가열채널 분리판(101)과 가열채널 분리판(101)의 전면 양 끝단에 길이방향으로 연장되어 유입된 후 통과되는 배기가스를 밀폐시켜 배기가스의 누설을 방지하기 위한 일자형 막음판(103)이 구비되며, 일자형 막음판(103)의 내측이고 가열채널(100)의 전면에는 배기가스의 흐름을 유도하고 배기가스의 열전달을 촉진시키기 위해 길이방향으로 연장되며 주름진 가열채널 전열핀(104)이 구비되고, 상기 가열채널 전열핀(104)은 옵셋핀, 플레인핀, 주름핀, 삼각핀 등에서 선택하여 사용 가능하도록 하였다.
상기 반응채널(110)은 상기 외측 보호판(150)과 동일한 사각 판형상의 반응채널 분리판(111)과, 상기 반응채널 분리판(111)의 전면 사방을 밀폐시켜 누설을 방지하고, 중앙부 내측으로 수소가스를 발생시키는 개질반응실(120)이 형성된 사각 막음판(113)이 구비되어 구성된다. 그리고 상기 사각 막음판(113)은 상기 물유입부(40), 연료유입부(50), 수소가스배출부(60), 촉매투출구(70)와 내부가 연통되도록 각 상기 물유입부(40), 연료유입부(50), 수소가스배출부(60), 촉매투출구(70)와 연통되는 위치의 사각 막음판(113) 측면이 일부 개방되어 각 연료유입홈(141), 수소가스배출홈(142), 촉매투출홈(143)이 구성되며, 상기 사각 막음판(113)의 상부에는 일측 끝단이 상기 물유입부(40)의 분사관(410)과 연결되는 물유입관통공(115)과, 상기 물유입관통공(115)의 타측과 일측이 연결되어 상기 물유입부(40)를 통해 공급되는 물이 배기가스의 열과 더욱 오랜 시간 열교환되어 고온의 물 또는 고온의 물이 증발하여 상이 변화된 수증기가 될 수 있도록“S"자형 유로로 형성된 예열홈(116)이 구성되고, 예열홈(116)의 하단부에는 상기 배기가스의 열과 열교환되어 고온으로 예열된 물 또는 배기가스의 열과 열교환으로 상변화된 수증기가 상기 개질반응실(120)로 분사되도록 내측으로 다수개의 배출홀(117)이 일정간격으로 이격되어 구성된다.
그래서 다중의 “S"자형 유로로 형성된 상기 예열홈(116)으로 유입된 물은 상기 배출홀(117)을 통해 개질반응실(120)로 분사되기 전 예열홈(116)을 통과하면서 가열채널(100)에서 더 많은 배기가스의 열을 회수하고 열교환되어 물이 수증기로 상변화되기 위해 증발온도까지 도달하는 시간을 감소시킬 수 있는 것이다.
상기 개질반응실(120)은 상기 예열홈(116)의 배출홀(117)을 통해 분사되는 고온의 물 또는 수증기와 상기 연료유입부(50)를 통해 공급되는 연료의 균일한 혼합과 배기가스의 열전달을 촉진시키기 위해 상부에서 중앙부까지 연장되어 형성된 반응채널 상부전열핀(122)이 개질반응실(120)에 구비되되, 상기 반응채널 상부전열핀(122)은 상기 연료유입부(50)에서 공급되는 연료가 반응채널 상부전열핀(122)의 내부로 유입 가능하도록 상기 연료유입홈(141)과 동일한 위치의 반응채널 상부전열핀(122)의 상부는 횡방향으로 절개되게 구성된다. 그래서 상기 반응채널(110)의 상부인 예열홈(116)으로 유입되어 상기 가열채널(100)의 배기가스 열과 열교환된 후 변환된 고온의 물 또는 수증기가 배출홀(117)을 통해 상기 개질반응실(120)에 구비된 반응채널 상부전열핀(122)으로 분사되면 예열홈(116)의 하부에 구비된 상기 연료유입홈(141)을 통해 공급된 연료와 만나 상기 반응채널 상부전열핀(122)을 통과하면서 서로 혼합되고, 이때 지속적인 배기가스의 열과 열교환을 통해 고온의 물이 증발하면서 모두 수증기로 변화되어 연료와 고르게 혼합되고, 균일하게 혼합된 수증기와 연료는 상기 가열채널(100)에서 전달되는 배기가스의 열과 지속적인 열 교환을 통하여 온도가 상승하면서 혼합가스로 변환되는 것이다.
본 발명에서 상기 예열홈(116)은 상기 연료유입홈(141)의 상부에 구비되어 상기 예열홈(116)으로 유입되는 물이 연료보다 상부에서 유입된 후 배출홀(117)을 통해 하부에서 유입되는 연료의 상부로 배출되어 물과 연료가 보다 고르게 혼합될 수 있도록 구성된다.
상기 개질반응실(120)에서 상기 반응채널 상부전열핀(122)의 하부에는 고온의 물 또는 수증기가 연료와 고르게 혼합되면서 변환된 혼합가스를 개질 반응시켜 수소가스를 발생시키도록 내부에 촉매(C)가 수용되는 촉매층(124)이 구성되며, 상기 촉매층(124)에서 혼합가스를 개질 반응시켜 수소가스를 발생시키기 위해서는 개질반응실(120)의 촉매층(124)이 높은 온도가 아닐 경우 개질 반응이 일어나지 않게 되므로, 촉매층(124)은 계속적으로 충분히 높은 온도를 유지해야 하는데 이러한 역할을 위해 가열채널(100)에서는 고온의 배기가스에서 회수한 열을 상기 개질반응실(120)의 촉매층(124)으로 전달하여 촉매층(124)이 계속적으로 높은 온도를 유지하면서 수소가스의 발생이 가능하도록 하는 것이다.
상기 개질반응실(120)에서 상기 촉매층(124)의 하부에는 상기 촉매층(124)에서 개질 반응하여 발생한 수소가스의 이동을 원활히 하고 열전달율을 높여 수소가스의 온도를 용이하게 높일 수 있도록 주름진 반응채널 하부전열핀(123)이 구성되며, 상기 반응채널 하부전열핀(123)은 상기 촉매투출홈(143)을 통한 촉매(C)의 투입 및 배출을 원활히 하고 혼합가스의 개질 반응으로 발생된 수소가스의 배출을 원활히 하도록 상기 촉매투출홈(143)의 하부에서 상기 수소가스 배출홈(142)의 상부로 경사지게 구비되어 상기 촉매층(124)에서 혼합가스로부터 개질 촉매 반응을 통해 발생된 수소가스는 상기 반응채널 하부전열핀(123)을 통과하면서 더욱 높은 온도로 변환되어 상기 수소가스 배출홈(150)을 통해 배출된다.
이때, 상기 반응채널 상부전열핀(122) 및 반응채널 하부전열핀(123)은 옵셋핀, 플레인핀, 주름핀, 삼각핀 등에서 선택하여 사용 가능하다.
상기 배기가스 유입부(20)는 내부가 중공형이며, 상기 개질부(10)의 하부에 구비되어 고온의 배기가스를 상기 개질부(10)로 유입시키도록 구성되고, 상기 배기가스 배출부(30) 또한 내부가 중공형이며, 상기 개질부(10)를 통과하면서 열을 빼앗긴 배기가스가 외부로 배출되도록 상기 개질부(10)의 상부에 구성된다.
상기 물유입부(40) 상기 개질부(10)의 일측 상부에 구비되며, 상기 개질부(10)의 반응채널(110) 내부로 물을 공급해주기 위해 내부에 다수개의 분사관(410)이 구비된다. 상기 분사관(410)은 끝단이 상기 개질부(10)에 구비된 각 반응채널(110)의 물유입관통공(115)에 연결되고 분사관(410)을 통해 공급된 물은 물유입관통공(115)을 지나 예열홈(116)으로 유입되는 것이다.
상기 연료유입부(50)는 상기 개질부(10)의 반응채널(110) 내부로 연료를 공급하기 위해 상기 물유입부(40)가 구비된 개질부(10)의 타측 상부에 구비되되, 상기 개질부(10)의 반응채널(110)에 구비된 연료유입홈(141)과 내부가 연통되게 구비되고, 상기 반응채널(110)의 물유입관통공(115) 보다 하부에 위치한 연료유입홈(141)으로 인해 상기 연료유입부(50)는 상기 물유입부(40) 보다 하부에 위치되어 구성된다.
상기 연료유입부(50)를 통해 상기 개질부(10)로 공급되는 연료는 일자형 막음판(103)으로 측면이 밀폐되어 있는 가열채널(100)에는 유입되지 않고 사각 막음판(113)에 연료유입홈(141)이 구비된 반응채널(110)의 내부인 개질반응실(120)로만 연료가 공급될 수 있는 것이다.
상기 수소가스 배출부(60)는 상기 개질부(10)의 일측면 하부이며, 상기 반응채널(110)의 수소가스 배출홈(142)과 내부가 연통되게 구비되어 상기 촉매층(124)에서 개질 촉매 반응으로 발생된 수소가스가 상기 반응채널 하부전열핀(123)을 거쳐 외부로 배출될 수 있도록 구성된다.
상기 촉매 투출구(70)는 상기 개질부(10)에 구비되되, 상기 수소가스 배출부(60)의 반대측 상부이며, 상기 촉매투출홈(143)의 외측으로 구비되고, 볼트 및 너트(74)로 연결된 덮개(72)에 의해 개폐가능하게 구비되어, 촉매투출구(70)를 통해 반응채널(110)에 구비된 개질반응실(120)의 촉매층(124)으로 촉매(C)를 투입할 뿐 아니라, 수명을 다하여 개질 반응 능력이 떨어진 촉매(C)를 교체시에는 외부에서 촉매투출구(70)를 통해 교체할 촉매(C)를 빼내고, 새로운 촉매(C)를 투입시킬 수 있어 개질부(10)를 분리하지 않고도 촉매(C)를 용이하게 교체할 수 있도록 구성된다. 이때, 상기 촉매(C)를 교체시에는 볼트 및 너트(74)에 의해 연결된 덮개(72)를 분리하여 촉매 투출구(70)를 개방시킨 후, 촉매투출구(70)가 바닥을 향하도록 개질기(1)를 기울여서 촉매층(124)에 수용된 촉매(C)가 촉매투출구(70)를 통해 빠져나오도록 하고, 촉매(C)가 모두 빠져 나온 후에는 개질기(1)를 반대로 기울여서 새로운 촉매(C)가 촉매층(124)으로 수용될 수 있도록 촉매투출구(70)를 통해 촉매(C)를 투입하여 교체하는 것이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 통합형 개질기는 다음과 같이 작용된다.
연료전지 스택의 캐소드극에서 배출된 온도 약 750℃ 이상인 고온의 배기가스가 본 발명 개질기(1)의 배기가스 유입부(20)를 통해 복수개의 가열채널(100)과 반응채널(110)이 교대로 배열된 개질부(10)의 하부로 공급되며, 상기와 같이 공급된 고온의 배기가스는 상, 하부가 오픈된 각 가열채널(100)로 유입되어 가열채널 전열핀(104)을 따라 하부에서 상부 방향으로 이동하면서 개질부(10)의 상부에 위치한 배기가스 배출부(30)로 배출되되, 상기 가열채널(100)의 가열채널 분리판(101)과 가열채널 전열핀(104)은 이동하는 고온의 배기가스에서 열을 회수한다.
그리고 개질부(10)의 측면에 위치한 물 유입부(40)에서는 분사관(410)을 통해 각 반응채널(110)의 물공급관통공(115)으로 물을 유입시키고, 유입된 물은 다중의 “S"자형 유로를 타고 예열홈(116)을 흐르면서 반응채널(110)의 전, 후면에 위치한 가열채널(100)에서 회수한 배기가스 열과 열교환되어 100℃ 부근의 물 또는 수증기로 변화된다.
한편, 연료유입부(50)에서도 상온 약 20℃의 메탄이 주성분인 연료를 개질부(10)에 구비된 각 반응채널(110)의 연료유입홈(115)을 통해 개질반응실(120)이 구비된 상기 반응채널 상부전열핀(122)으로 유입시키고, 유입된 연료는 반응채널(110)의 전, 후면에 위치한 가열채널(100)의 배기가스 열과 열교환을 통해 온도가 상승하게 된다.
상기 예열홈(116)에서 변화된 100℃ 부근의 물 또는 수증기는 배출홀(117)을 통해 상기 개질반응실(120)에 구비된 반응채널 상부전열핀(122) 상부로 분사되고, 분사된 물 또는 수증기는 하부에 유입되어 온도가 상승된 연료와 만나 섞이면서 반응채널 상부전열핀(122) 하부를 향해 흐르고, 수증기가 아닌 100℃ 부근의 물은 상기 반응채널 상부전열핀(122)에서 계속되는 배기가스와의 열 교환과정을 통해 액상에서 기상으로 변하여 모두 수증기로 변화되면서 연료와 고르게 혼합되며, 고르게 혼합된 수증기와 연료는 배기가스의 지속적인 열교환 과정을 통해 온도가 상승하면서 혼합가스로 변환되어 상기 개질반응실(120)의 촉매층(124)으로 유입된다.
상기 촉매층(124)으로 유입된 혼합가스는 상기 가열채널(100)에서 전달되는 배기가스의 열과 열교환을 통해 적정하게 높은 온도를 유지하는 촉매층(124)에 수용된 촉매(C)와 만나 개질 촉매 반응에 의해 수소가스를 발생시키며, 상기 촉매층(124)에서 발생된 수소가스는 촉매층(124)의 하부에 구비된 반응채널 하부전열핀(123)으로 유입되어 하부로 이동하면서 지속적인 배기가스의 열과 열교환 과정을 거치고, 지속적인 열 교환과정을 거쳐 더욱 높은 온도를 유지하는 수소가스는 반응채널 하부전열핀(123)을 거쳐 하부로 고르게 분포되면서 반응채널 하부전열핀(123)의 하부에 구비된 수소가스 배출홈(142)을 통해 수소가스 배출부(60)로 유입된 후 외부로 배출된다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명이 비록 한정된 실시 예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다 할 것이다.
1-개질기 10-개질부
20-배기가스 유입부 30-배기가스 배출부
40-물 유입부 50-연료 유입부
60-수소가스 배출부 70-촉매 투출구
100-가열채널 101-가열채널 분리판
103-일자형 막음판 104-가열채널 전열핀
110-반응채널 111-반응채널 분리판
113-사각 막음판 115-물유입관통공
116-예열홈 117-배출홀
120-개질반응실 122-반응채널 상부전열핀
123-반응채널 하부전열핀 124-촉매층
141-연료유입홈 142-수소가스배출홈
143-촉매투출홈 150-외측 보호판

Claims (4)

  1. 하부에서 공급되어 상부로 배출되는 고온의 배기가스에서 열을 회수하기 위한 가열채널(100)과, 내부로 공급되는 물과 연료가 상기 가열채널(100)의 열과 열교환되면서 변환된 혼합가스로부터 개질 촉매 반응을 통해 수소가스를 발생시키는 반응채널(110)이 두 개의 외측 보호판(150) 사이에 횡방향이며 교대로 복수개가 배열되어 구비된 개질부(10);
    상기 개질부(10)의 하부와 상부에 구비되어 고온의 배기가스를 상기 가열채널(100)로 공급하고 배출시키는 배기가스 유입부(20) 및 배기가스 배출부(30);
    상기 개질부(10)의 일측 상부에 구비되며, 상기 반응채널(110) 내부로 물을 공급하는 다수개의 분사관(410)이 내부에 형성된 물유입부(40);
    상기 물유입부(40)가 설치된 개질부(10)의 타측면 상부에 구비되되, 상기 물유입부(40) 보다 하부에 위치하며 반응채널(110) 내부로 연료를 공급하는 연료유입부(50);
    상기 개질부(10)의 일측면 하부에 구비되어 상기 개질부(10)의 반응채널()에서 발생되는 수소가스를 배출시키는 수소가스 배출부(60);
    상기 개질부(10)의 타측면 하부에 구비되되, 상기 수소가스 배출부(60) 보다 상부에 위치하며, 덮개(710)에 의해 개폐가능하여 촉매(C)를 반응채널(110)에 투입 및 배출시킬 수 있는 촉매투출구(70)를 포함하여 구성되며,
    상기 가열채널(100)은 사각 판형상의 가열채널 분리판(101) 전면 양끝단에 일자형 막음판(103)이 구비되고, 배기가스의 열전달을 촉진시키기 위해 가열채널 분리판(101)의 전면이며 일자형 막음판(103) 내측으로 길이방향으로 연장되며 주름진 가열채널 전열핀(104)이 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 통합형 개질기.
  2. 삭제
  3. 청구항1에 있어서,
    상기 반응채널(110)은 사각 판형상의 반응채널 분리판(111) 전면으로 상기 반응채널 분리판(111)의 전면 사방을 밀폐시키며 중앙부 내측으로 수소가스를 발생시키는 개질반응실(120)이 구비되도록 사각 막음판(113)이 구비되되, 상기 사각 막음판(113)은 상기 연료유입부(50) 및 상기 수소가스 배출부(60), 상기 촉매투출구(70)와 연통되는 위치에 사각 막음판(113)이 일부 개방되어 각 연료유입홈(141), 수소가스배출홈(142), 촉매투출홈(143)이 구비되고, 상기 사각 막음판(113) 상부에는 일측면에 상기 분사관(410)과 연결되는 물유입관통공(115)과, 상기 물유입관통공(115)과 끝단이 연통되며 다중의 “S"자형 유로로 형성되고 하단부 내측으로 다수개의 배출홀(117)이 형성되어 고온의 물 또는 수증기가 개질반응실(120)로 배출되도록 하는 예열홈(116)이 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 통합형 개질기.
  4. 청구항3에 있어서,
    상기 개질반응실(120)에는 상부가 횡방향으로 일부 절개되어 연료유입부(50)를 통한 연료의 유입이 가능하며, 배기가스의 열전달을 촉진시켜 고온의 물 또는 수증기와 연료를 혼합가스로 변환시키기 위해 상부에서 중앙부까지 연장되며 주름진 반응채널 상부전열핀(122)이 상부에 구비되고, 상기 반응채널 상부전열핀(122)의 하부에는 변환된 혼합가스로부터 수소가스를 발생시키기 위한 촉매(C)가 수용되는 촉매층(124) 구비되고, 상기 촉매층(124)의 하부에는 상기 촉매투출구(70)측의 하부에서 상기 수소가스 배출부(60)측의 상부로 경사지며, 수소가스에 배기가스의 열전달을 촉진시키기 위한 주름진 반응채널 하부전열핀(123)이 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 통합형 개질기.
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