KR102354761B1 - 개질기를 갖는 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지를 발생시키기 위한 장치에 관한 것으로, 에너지를 발생시키기 위한 상기 장치는 개질기 (10), 가스 정제 멤브레인 (20) 및 연료전지 (40) 를 구비하며, 상기 개질기 (10) 는 수소를 발생시키기 위해 형성되고, 상기 가스 정제 멤브레인 (20) 은 상기 개질기 (10) 안에서 발생된 가스 혼합물로부터 수소를 분리시키기 위해 형성되고, 상기 연료전지 (40) 는 상기 가스 정제 멤브레인 (20) 에 의해 분리된 수소를 변환시킴으로써 전기 에너지를 발생시키기 위해 형성되고, 에너지를 발생시키기 위한 상기 장치는 일산화탄소를 메탄으로 변환시키기 위한 변환 장치 (30) 를 구비하며, 본 발명은 상기 변환 장치 (30) 가 상기 가스 정제 멤브레인 (20) 과 상기 연료전지 (40) 사이에 배열되고, 상기 변환 장치 (30) 와 상기 가스 정제 멤브레인 (20) 이 열적으로 커플링됨으로써 특징지어진다.

Description

개질기를 갖는 연료전지
본 발명은 개질기와 연료전지를 이용해 에너지를 발생시키기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 가스 정제 멤브레인 (gas purification membrane) 의 고장시에도 계속 기능을 할 수 있게 유지된다.
개질기에서 예컨대 메탄올은 CO 와 H2 로 변환되고, 상기 CO 는 바람직하게는 이동 반응에서의 수증기와 함께 CO2 와 H2 로 변환된다. 하지만 규칙적으로 가스 혼합물 안에 일산화탄소 잔여가 남아 있다. 이 가스 혼합물로부터 수소는 일반적으로 가스 정제 멤브레인을 통하여 분리되고, 이때 보다 유리하게는 수소만 멤브레인을 통해 확산된다. 하지만 고장의 경우 일산화탄소가 상기 멤브레인을 통해 도달할 수 있다. 일산화탄소가 연료전지에 들어가면, 상기 연료전지는 이로 인해 손상을 입을 수 있다.
이를 저지하기 위해서는, 에너지를 발생시키기 위한 장치가 즉시 스위치 오프되어야 한다. 하지만 이로써, 에너지를 발생시키기 위한 상기 장치가 예컨대 잠수함을 구동시킬 경우 에너지 발생이 저지될 것이다. 이는 원하지 않은 상태일 것이다.
전기 촉매 산화 공정에서 탄화수소 개질체로부터 일산화탄소를 제거하기 위한 방법이 DE 699 28 417 T2 로부터 알려져 있다.
일산화탄소를 감소시키기 위한 이동 반응이 US 3,884,838 로부터 알려져 있다.
수소와 일산화탄소를 변환시키기 위한 촉매 조성물이 US 2005 / 001003 A2 로부터 알려져 있다.
수소 정제기의 위급한 고장을 조기에 증명하기 위한 시스템과 방법이 DE 600 32 027 T2 로부터 알려져 있다.
본 발명의 목적은 가스 정제 멤브레인에서의 일산화탄소 누출시에도 작동을 가능하게 하는, 에너지를 발생시키기 위한 장치를 만들어내는 것이다.
이 목적은 청구항 1 항에 기재된 특징들을 갖는 에너지를 발생시키기 위한 장치를 통해 달성된다. 유리한 개선들은 종속항들, 하기의 설명 및 도면들에 나타나 있다.
에너지를 발생시키기 위한 본 발명에 따른 장치는 개질기, 가스 정제 멤브레인 및 연료전지를 구비하며, 상기 개질기는 수소를 발생시키기 위해 형성되고, 상기 가스 정제 멤브레인은 상기 개질기 안에서 발생된 가스 혼합물로부터 수소를 분리시키기 위해 형성되고, 상기 연료전지는 상기 가스 정제 멤브레인에 의해 분리된 수소를 변환시킴으로써 전기 에너지를 발생시키기 위해 형성된다. 에너지를 발생시키기 위한 상기 장치는 일산화탄소를 메탄으로 변환시키기 위한 변환 장치를 구비한다. 상기 변환 장치는 상기 가스 정제 멤브레인과 상기 연료전지 사이에 배열되고, 상기 변환 장치와 상기 가스 정제 멤브레인은 열적으로 커플링된다 (thermally coupled).
상기 열적 커플링은 바람직하게는 상기 변환 장치와 상기 가스 정제 멤브레인이 하나의 공동의 가스 공간 (gas area) 을 구비함으로써 수행된다. 그러므로, 상기 변환 장치와 상기 가스 정제 멤브레인은 예컨대 한 관로 (pipe line) 를 통하여 서로 연결되어 있지 않다. 한 관로를 통해 흐름이 오로지 한 방향으로만 가능하고, 따라서 피드백이 한 관로에 의해 저지된다.
본 발명의 장점은 일산화탄소가 연료전지에 들어가는 것이 확실히 저지된다는 것이다. 상기 열적 커플링을 통해 상기 변환 장치는 언제든지 이용될 준비가 되어 있다. 별도의 가열이 생략된다. 게다가 상기 개질기와 상기 연료전지는 감소된 효율을 가지더라도, 고장의 경우에도 계속 작동될 수 있고, 따라서 전기 에너지가 공급되는 시스템들의 안전이 보장된다.
본 발명의 그 밖의 실시형태에서, 상기 변환 장치와 상기 가스 정제 멤브레인은 하나의 공동의 하우징 (housing) 의 내부에 배열된다. 한 하우징의 내부에서의 상기 공동의 배열은 상기 열적 커플링의 간단한 구현이다. 또한, 수소 누출을 위한 잠재적인 부위일 수 있는 전이부들이 방지된다.
본 발명의 그 밖의 실시형태에서 상기 변환 장치는 상기 가스 정제 멤브레인 위쪽에 배열된다. 바람직하게는, 상기 가스 정제 멤브레인의 내부에서, 상기 얻어진 수소가 위로 배출된다. 이는 작은 분자무게를 근거로 유리하다. 그러므로 상기 변환 장치는 보다 유리하게는 출구 앞에 배열된다.
특히 바람직하게는, 상기 변환 장치는 상기 변환 장치의 하우징의 상부 영역에 배열된다. 바람직하게는, 상기 변환 장치의 상기 하우징의 상기 상부 영역은 접시형 헤드 (torispherical head) 의 형태로 설계된다. 상기 장치를 가스 기밀적으로 설계하기 위해 하우징들은 규칙적으로 원통형으로 접시형 헤드를 가지고 설계된다. 상기 접시형 헤드 안의 공간은 통례적으로 구조적으로 사용되는 것이 아니라 수소 수집 공간으로 쓰인다. 이 공간의 사용을 통해, 추가적인 설치 공간이 필요해지지 않는다.
본 발명의 그 밖의 실시형태에서, 메탄을 포착하기 위한 센서가 상기 변환 장치 뒤에 배열된다. 이 실시형태가 특히 바람직하다. 메탄은 일산화탄소보다 훨씬 더 간단히 그리고 더 정확히 검출 가능하다. 그러므로, 변환 장치와, 메탄을 위한 센서를 가지고 훨씬 더 간단히 그리고 더 확실하게 상기 가스 정제 멤브레인의 고장이 검출될 수 있다. 원칙적으로, 메탄을 포착하기 위한 상기 센서는 상기 변환 장치와 상기 연료전지 사이의 모든 부위에 배열될 수 있다. 바람직하게는, 메탄을 포착하기 위한 상기 센서는 연결 라인 안에 배열된다. 특히 바람직하게는, 메탄을 포착하기 위한 상기 센서는 상기 연결 라인 안에 상기 변환 장치에 공간적으로 가까이 배열된다.
본 발명의 그 밖의 실시형태에서 상기 센서는 광센서 (optical sensor) 이다.
본 발명의 그 밖의 실시형태에서 상기 가스 정제 멤브레인은 적어도 부분적으로 팔라듐 또는 팔라듐 합금으로 구성된다.
특히 바람직하게는, 에너지를 발생시키기 위한 본 발명에 따른 장치는 수중 차량에, 특히 잠수함에 사용된다.
그 밖의 양상에서, 본 발명은 에너지를 발생시키기 위한 본 발명에 따른 장치를 갖는 수중 차량, 특히 잠수함에 관한 것이다.
이하, 에너지를 발생시키기 위한 본 발명에 따른 장치는 도면들에 도시된 실시예들을 근거로 상세히 설명된다.
도 1 은 에너지를 발생시키기 위한 제 1 장치이고
도 2 는 에너지를 발생시키기 위한 제 2 장치이고
도 3 은 에너지를 발생시키기 위한 제 3 장치이다.
도 1 에는 에너지를 발생시키기 위한 제 1 장치가 도시된다. 그것은 개질기 (10) 를 구비하며, 상기 개질기에서 예컨대 메탄올로부터, 수소가 발생된다. 개질기 (10) 로부터의 가스 혼합물은 가스 정제 멤브레인 (20) 에 도달한다. 가스 정제 멤브레인 (20) 은 단지 수소를 통과시키며, 다른 가스들은 배출되고, 통례적으로 개질기 (10) 를 위한 필요한 에너지를 발생시키기 위한 버너 안으로 배출된다. 가스 정제 멤브레인 (20) 으로부터 수소는 변환 장치 (30) 를 통하여 연료전지 (40) 로 안내된다. 정상적인 공정에서는 변환 장치 (30) 의 옆을 어느 것도 지나가지 않는다. 하지만 가스 정제 멤브레인 (20) 에서 결함이 나타나면 일산화탄소가 가스 흐름에 들어갈 수 있다. 이 일산화탄소는 변환 장치 (30) 에서 메탄으로 변환되고, 상기 메탄은 연료전지 (40) 에게 문제가 되지 않는다. 가스 정제 멤브레인 (20) 과 변환 장치 (30) 는 하우징 (50) 의 내부에 위치하고, 이로써 열적으로 커플링된다. 가스 정제 멤브레인 (20) 의 작동 온도를 통해, 추가적인 에너지가 필요해지지 않으면서, 상기 변환 장치가 사용되지 않을지라도 변환 장치 (30) 도 작동 온도로 유지된다.
도 2 는 에너지를 발생시키기 위한 제 2 장치를 나타내며, 상기 장치는 변환 장치 (30) 뒤에 하우징의 내부에 센서 (60) 가 배열됨으로써 상기 에너지를 발생시키기 위한 제 1 장치와 구별된다. 이 센서 (60) 는 메탄을 검출한다. 메탄이 보다 쉽게 그리고 보다 확실히 검출될 수 있기 때문에, 이렇게 가스 정제 멤브레인 (20) 의 누출이 빨리 그리고 확실히 밝혀질 수 있다.
도 3 은 에너지를 발생시키기 위한 제 2 장치를 나타내며, 상기 장치는 변환 장치 (30) 뒤에 하우징의 외부에 센서 (60) 가 배열됨으로써 상기 에너지를 발생시키기 위한 제 1 장치와 구별된다. 이 센서 (60) 는 메탄을 검출한다. 메탄이 보다 쉽게 그리고 보다 확실히 검출될 수 있기 때문에, 이렇게 가스 정제 멤브레인 (20) 의 누출이 빨리 그리고 확실히 밝혀질 수 있다.
10 : 개질기
20 : 가스 정제 멤브레인
30 : 변환 장치
40 : 연료전지
50 : 하우징
60 : 센서

Claims (6)

  1. 에너지를 발생시키기 위한 장치로서,
    에너지를 발생시키기 위한 상기 장치는 개질기 (10), 가스 정제 멤브레인 (20) 및 연료전지 (40) 를 구비하며, 상기 개질기 (10) 는 수소를 발생시키기 위해 형성되고, 상기 가스 정제 멤브레인 (20) 은 상기 개질기 (10) 안에서 발생된 가스 혼합물로부터 수소를 분리시키기 위해 형성되고, 상기 연료전지 (40) 는 상기 가스 정제 멤브레인 (20) 에 의해 분리된 수소를 변환시킴으로써 전기 에너지를 발생시키기 위해 형성되고, 에너지를 발생시키기 위한 상기 장치는 일산화탄소를 메탄으로 변환시키기 위한 변환 장치 (30) 를 구비하고,
    상기 변환 장치 (30) 는 상기 가스 정제 멤브레인 (20) 과 상기 연료전지 (40) 사이에 배열되고, 상기 변환 장치 (30) 와 상기 가스 정제 멤브레인 (20) 은 열적으로 커플링되고,
    상기 변환 장치 (30) 와 상기 가스 정제 멤브레인 (20) 은 하나의 공동의 하우징 (50) 의 내부에 배열되고,
    상기 변환 장치 (30) 는 상기 가스 정제 멤브레인 (20) 위쪽에 배열되는 것을 특징으로 하는, 에너지를 발생시키기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    메탄을 포착하기 위한 센서 (60) 가 상기 변환 장치 (30) 뒤에 배열되는 것을 특징으로 하는, 에너지를 발생시키기 위한 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 (60) 는 광센서인 것을 특징으로 하는, 에너지를 발생시키기 위한 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 정제 멤브레인 (20) 은 적어도 부분적으로 팔라듐 또는 팔라듐 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 에너지를 발생시키기 위한 장치.
  5. 삭제
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