KR102533958B1 - 연료전지의 변성 반응시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개질 반응의 결과물인 개질 가스 중 일산화탄소(CO)를 선택적으로 산화반응하는 연료전지의 변성 반응시스템에 관련되며, 이는 개질 가스가 이동하는 변성촉매가 반응유로 전체에서 나선형으로 일정한 단면적을 가지도록 구조 개선되어 냉각코일을 이용한 산화반응 온도를 반응 유로 전구간에서 동일하게 제어하여 산화반응 효율 향상을 도모하고, 특히, 변성촉매를 나선형으로 구속하는 나선형 격판이 동일한 형상을 가진 복수의 반 링형 플레이트를 연결하여 형성되므로 제작이 간단함과 더불어 소재비를 절감할 수 있도록 내부드럼(10), 외부드럼(20), 나선형 격판(30), 나선형 냉각코일(40)을 포함하여 주요구성으로 한다.

Description

연료전지의 변성 반응시스템{Fuel cell metamorphism reaction system}
본 발명은 연료전지의 변성 반응시스템에 관련되며, 보다 상세하게는 개질 가스가 이동하는 변성촉매가 반응유로 전체에서 나선형으로 일정한 단면적을 가지도록 구조 개선되어 냉각코일을 이용한 산화반응 온도를 반응 유로 전구간에서 동일하게 제어하여 산화반응 효율 향상을 도모하고, 특히, 변성촉매를 나선형으로 구속하는 나선형 격판이 동일한 형상을 가진 복수의 반 링형 플레이트를 연결하여 형성되므로 제작이 간단함과 더불어 소재비를 절감할 수 있는 연료전지의 변성 반응시스템에 관한 것이다.
통상적으로 연료전지 시스템은 전기화학 반응에 의하여 천연가스가 갖고 있는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 시스템으로서, 천연가스의 주성분은 메탄(CH4)이며 개질 반응기에서 수증기와 반응하여 수소와 일산화탄소가 생성되는데, 개질 반응기에서의 개질 반응은, 탄화수소계 연료와 수증기가 화학 반응하는 것이다. 이때, 개질 반응의 결과물인 개질 가스는 수소이지만, 불가피하게 일산화탄소(CO)도 함께 생성된다.
그리고 개질 반응의 결과물인 개질 가스 중 일산화탄소는 선택적 산화반응기에 의해 선택적으로 산화반응시킨다. 선택적 산화반응기에서의 산화반응은 일산화탄소와 산소가 화학반응하는 것으로, 이를 위해, 일산화탄소의 선택적 산화반응을 위해 산소를 포함하는 가스, 예를 들어 공기가 선택적 산화반응기에 공급된다. 선택적 산화반응기에는 일산화탄소가 선택적으로 산화될 수 있도록 촉매가 포함된다.
여기서, 선택적 산화반응기에 포함되는 촉매는 주로 백금(Pt)이나 루테늄(Ru)이다. 백금 촉매의 존재 하에서 일산화탄소와 산소는 120~150℃ 정도의 온도에서 반응하며, 이 반응은 발열 반응이다. 선택적 산화반응기에서의 선택적 산화반응이 계속되는 경우, 발열 반응의 특성상 선택적 산화반응기는 150℃ 이상으로 과열되어 일산화탄소의 선택적 산화 반응 효율이 극격히 저하되므로, 선택적 산화반응기의 온도를 적절히 유지해야 한다.
이에 종래에 개시된 공개특허 10-2019-0093052호에서, 제1 통체의 내부에 구비되며, 입구가 개질 가스 공급라인과 연결되는 개질 가스 공급부; 상기 제1 통체의 외곽에 배치되는 제2 통체의 내부에 구비되며, 일산화탄소를 선택적으로 산화시키기 위한 촉매를 포함하는 촉매부; 및 상기 제2 통체의 외곽에 배치되는 제3 통체의 내부에 구비되며, 수냉 코일 및 공기 이동 통로를 포함하는 열교환부를 포함하는 기술이 선 제시된 바 있다.
그러나, 상기 종래기술은 내부 열교환 구조를 통해 일산화탄소 제거 효율을 높이려는 것이나, 일산화탄소를 선택적으로 산화될 수 있도록 구비되는 촉매부 외주면에 수냉 코일 및 공기 이동 통로가 구비되어 열교환이 이루어짐에 따라 촉매부 내부영역과 외부영역의 온도편차가 발생되어 산화 반응 효율이 극격히 저하되는 폐단이 따랐다.
KR 10-2019-0093052 A (2019.08.08.)
이에 따라 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 착안 된 것으로서, 개질 가스가 이동하는 변성촉매가 반응유로 전체에서 나선형으로 일정한 단면적을 가지도록 구조 개선되어 냉각코일을 이용한 산화반응 온도를 반응 유로 전구간에서 동일하게 제어하여 산화반응 효율 향상을 도모하고, 특히, 변성촉매를 나선형으로 구속하는 나선형 격판이 동일한 형상을 가진 복수의 반 링형 플레이트를 연결하여 형성되므로 제작이 간단함과 더불어 소재비를 절감할 수 있는 연료전지의 변성 반응시스템을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 특징은, 개질 반응의 결과물인 개질 가스 중 일산화탄소(CO)를 선택적으로 산화반응하는 연료전지의 변성 반응시스템에 있어서, 외주면에 이너측벽(12)이 형성되고, 내부에 시동용 히터(11)가 설치되는 내부드럼(10); 상기 내부드럼(10)을 감싸도록 설치되고, 내부에 이너측벽(12)과 이격되어 원형 반응공간(21)을 형성하도록 아우터측벽(22)이 형성되는 외부드럼(20); 상기 원형 반응공간(21)에 나선형으로 배치되어, 개질 가스와 공기가 순환되는 나선형 변성유로(32)를 형성하고, 내부에 변성촉매(32a)가 구비되는 나선형 격판(30); 및 상기 나선형 변성유로(32) 내부에 나선형으로 배치되고, 냉매가 순환되도록 구비되는 나선형 냉각코일(40);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 개질 가스는 나선형 변성유로(32)를 타고 하부에서 상방향으로 나선형으로 회전 이송되고, 상기 냉매는 나선형 냉각코일(40)을 타고 상부에서 하방향으로 나선형으로 회전이동하면서 개질 가스의 산화반응 온도를 제어하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나선형 격판(30)은 양단부 높이가 서로 상이하게 형성된 반 링형 플레이트(31)를 90° 간격으로 엇갈리게 연결하여 나선형으로 조립 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉매는 공기로 형성되고, 상기 나선형 냉각코일(40)을 경유하여 출구를 통하여 배출되는 히팅 공기 중 일부가 나선형 변성유로(32) 입구로 투입되도록 회수라인(41)이 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이너측벽(12)에 이너 나선홈(13)이 형성되고, 이너 나선홈(13)에 반 링형 플레이트(31) 내주면이 끼움 결합되어 나선형 격판(30)을 형성한 상태로 외부드럼(20)의 아우터측벽(22) 내부로 삽입하여 나선형 변성유로(32)를 형성하며, 상기 반 링형 플레이트(31) 외주면 지름은 아우터측벽(22) 지름 대비 확장된 사이즈로 형성되고, 상기 나선형 격판(30)을 아우터측벽(22) 내부로 삽입시, 반 링형 플레이트(31)가 나선형 격판(30) 삽입 방향과 반대방향으로 탄성 변형된 후, 탄성 복원력에 의해 아우터측벽(22)에 밀착 고정되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 아우터측벽(22)에 아우터 나선홈(23)이 형성되고, 아우터 나선홈(23)에 반 링형 플레이트(31) 외주면이 끼움 결합되어 나선형 격판(30)을 형성한 상태로 내부드럼(10)과 조립되어 나선형 변성유로(32)를 형성하며, 상기 반 링형 플레이트(31) 내주면 지름은 이너측벽(12) 지름 대비 축소된 사이즈로 형성되고, 상기 나선형 격판(30) 내주면으로 내부드럼(10)을 삽입시, 반 링형 플레이트(31)가 내부드럼(10) 삽입방향으로 탄성 변형된 후, 탄성 복원력에 의해 이너측벽(12)에 밀착 고정되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
이상의 구성 및 작용에 의하면, 본 발명은 개질 가스가 이동하는 변성촉매가 반응유로 전체에서 나선형으로 일정한 단면적을 가지도록 구조 개선되어 냉각코일을 이용한 산화반응 온도를 반응 유로 전구간에서 동일하게 제어하여 산화반응 효율 향상을 도모하고, 특히, 변성촉매를 나선형으로 구속하는 나선형 격판이 동일한 형상을 가진 복수의 반 링형 플레이트를 연결하여 형성되므로 제작이 간단함과 더불어 소재비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 변성 반응시스템을 전체적으로 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 변성 반응시스템의 나선형 격판과 나선형 냉각코일 조립구조를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 변성 반응시스템의 나선형 격판을 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 변성 반응시스템의 회수라인을 나타내는 구성도.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 변성 반응시스템의 나선형 격판 조립구조를 나타내는 구성도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자들에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 변성 반응시스템을 전체적으로 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 변성 반응시스템의 나선형 격판과 나선형 냉각코일 조립구조를 나타내는 구성도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 변성 반응시스템의 나선형 격판을 나타내는 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 변성 반응시스템의 회수라인을 나타내는 구성도이며, 도 5 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 변성 반응시스템의 나선형 격판 조립구조를 나타내는 구성도이다.
본 발명은 개질 반응의 결과물인 개질 가스 중 일산화탄소(CO)를 선택적으로 산화반응하는 연료전지의 변성 반응시스템에 관련되며, 이는 개질 가스가 이동하는 변성촉매가 반응유로 전체에서 나선형으로 일정한 단면적을 가지도록 구조 개선되어 냉각코일을 이용한 산화반응 온도를 반응 유로 전구간에서 동일하게 제어하여 산화반응 효율 향상을 도모하고, 특히, 변성촉매를 나선형으로 구속하는 나선형 격판이 동일한 형상을 가진 복수의 반 링형 플레이트를 연결하여 형성되므로 제작이 간단함과 더불어 소재비를 절감할 수 있도록 내부드럼(10), 외부드럼(20), 나선형 격판(30), 나선형 냉각코일(40)을 포함하여 주요구성으로 한다.
본 발명에 따른 내부드럼(10)은 외주면에 이너측벽(12)이 형성되고, 내부에 시동용 히터(11)가 설치된다.
상기 내부드럼(10)은 원통형으로 형성되고, 내부에 시동용 히터(11)가 설치되는바, 여기서 상기 시동용 히터(11)는 일산화탄소(CO)를 선택적으로 산화반응하기 위한 초기 열원을 제공하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 외부드럼(20)은 상기 내부드럼(10)을 감싸도록 설치되고, 내부에 이너측벽(12)과 이격되어 원형 반응공간(21)을 형성하도록 아우터측벽(22)이 형성된다.
상기 외부드럼(20)은 내경이 내부드럼(10) 외경 대비 확장된 사이즈로 형성되고, 외부드럼(20)과 내부드럼(10)의 사이즈 차이로 인해 원형 반응공간(21)이 형성된다.
즉, 상기 원형 반응공간(21)은 이너측벽(12)과 아우터측벽(22) 사이 공간에 형성되고, 상기 원형 반응공간(21) 상, 하부는 내부드럼(10)과 외부드럼(20) 상, 하부에 설치되는 상, 하부 플레이트에 의해 마감되도록 구비된다.
또한, 본 발명에 따른 나선형 격판(30)은 상기 원형 반응공간(21)에 나선형으로 배치되어, 개질 가스(수소, 일산화탄서 등)와 공기가 순환되는 나선형 변성유로(32)를 형성하고, 내부에 변성촉매(32a)가 구비된다.
상기 나선형 격판(30)은 원형 반응공간(21) 내부를 나선형으로 분할하여 나선형 변성유로(32)를 형성함에 따라 개질 가스가 이동하면서 후술하는 나선형 냉각코일(40)과의 열교환 단면적이 균일하게 유지되고, 이로 인해 일산화탄소(CO)의 산화반응 온도가 정밀하게 제어되는 이점이 있다.
그리고, 상기 변성촉매(32a)는 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 선택적으로 산화시키기 위한 구성으로, 변성촉매(32a)는 루테늄(Ru), 백금(Pt) 등이 될 수 있고, 약 120~150℃에서 산화반응이 일어난다.
도 3에서, 상기 나선형 격판(30)은 양단부 높이가 서로 상이하게 형성된 반 링형 플레이트(31)를 90° 간격으로 엇갈리게 연결하여 나선형으로 조립 형성된다.
이처럼, 상기 나선형 격판(30)은 동일한 형상을 가진 복수의 반 링형 플레이트(31)를 연결하여 형성됨에 따라 제작이 간단함과 더불어 소재비가 절감되는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 나선형 냉각코일(40)은 상기 나선형 변성유로(32) 내부에 나선형으로 배치되고, 냉매가 순환되도록 구비된다. 여기서 냉매는 냉각수, 냉각기체를 포함하는 열교환 물질 중 어느 하나로 형성된다.
상기 나선형 냉각코일(40)은 이너측벽(12)과 아우터측벽(22) 및 나선형 격판(30)에 비접촉 상태로 배치되고, 나선형 변성유로(32) 내에 구비되는 변성촉매(32a)에 의해 위치고정된다.
이에 상기 나선형 냉각코일(40)을 이용하여 산화반응 중 열을 회수함에 있어, 나선형 냉각코일(40) 전체구간에 대해 나선형 변성유로(32)를 타고 이동하는 개질 가스 유로 단면적(예컨대, 변성촉매(32a) 단면적)이 일정하게 형성됨과 더불어 나선형 냉각코일(40) 외주면이 360° 방향에서 변성촉매(32a)와 열교환되도록 구성되어 열회수 효율이 향상되고, 이로 인해 산화반응 온도를 실시간으로 정밀하게 제어할 수 있다.
그리고, 상기 나선형 격판(30)과 나선형 냉각코일(40)이 원형 반응공간(21) 내에 삽입되는 조립 구조에 의해 나선형 변성유로(32)가 형성되므로 제작이 간단하고, 열변형에 따른 연결부 손상이 방지된다.
또한, 도 1과 같이 상기 개질 가스는 나선형 변성유로(32)를 타고 하부에서 상방향으로 나선형으로 회전 이송되고, 상기 냉매는 나선형 냉각코일(40)을 타고 상부에서 하방향으로 나선형으로 회전이동하면서 개질 가스의 산화반응 온도를 제어하도록 구비됨에 따라 기존 대비 열교환 면적이 증가되고, 개질 가스의 체류 길이가 확장되어 산화반응 효율이 고도로 향상된다.
도 4에서, 상기 냉매는 공기 또는 물로 형성되고, 상기 나선형 냉각코일(40)을 경유하여 출구를 통하여 배출되는 히팅 공기 중 일부가 나선형 변성유로(32) 입구로 투입되도록 회수라인(41)이 구비된다.
상기 회수라인(41)을 통하여 공급되는 히팅 공기량은 밸브에 의해 제어되고, 히팅 공기에 의해 개질 가스가 예열 됨과 더불어 산소와 신속하게 혼합되고, 특히, 외부 기온에 영향을 받지 않고 일정한 온도의 반응 공기가 공급되도록 제어되므로 나선형 변성유로(32)를 통과하는 동안 산화반응 온도 제어가 용이하다.
도 5에서, 상기 이너측벽(12)에 이너 나선홈(13)이 형성되고, 이너 나선홈(13)에 반 링형 플레이트(31) 내주면이 결합되어 나선형 격판(30)을 형성한 상태로 외부드럼(20)의 아우터측벽(22) 내부로 삽입하여 나선형 변성유로(32)를 형성하도록 구비된다.
이때, 상기 반 링형 플레이트(31) 외주면 지름은 아우터측벽(22) 지름 대비 확장된 사이즈로 형성된다.
이에 상기 나선형 격판(30)을 아우터측벽(22) 내부로 삽입시, 반 링형 플레이트(31)가 나선형 격판(30) 삽입 방향과 반대방향으로 탄성 변형된 후, 탄성 복원력에 의해 아우터측벽(22)에 밀착 고정되는 이점이 있다.
도 6에서, 상기 아우터측벽(22)에 아우터 나선홈(23)이 형성되고, 아우터 나선홈(23)에 반 링형 플레이트(31) 외주면이 끼움 결합되어 나선형 격판(30)을 형성한 상태로 내부드럼(10)과 조립되어 나선형 변성유로(32)를 형성되도록 구비된다.
이때, 상기 반 링형 플레이트(31) 내주면 지름은 이너측벽(12) 지름 대비 축소된 사이즈로 형성된다.
이에 상기 나선형 격판(30) 내주면으로 내부드럼(10)을 삽입시, 반 링형 플레이트(31)가 내부드럼(10) 삽입방향으로 탄성 변형된 후, 탄성 복원력에 의해 이너측벽(12)에 밀착 고정되는 이점이 있다.
이상과 같이 본 발명의 상세한 설명에는 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 기술범위에 벗어나지 않는 범위 내에서는 다양한 변형실시도 가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정하여 정하여 질 것이 아니라 후술하는 특허청구범위의 기술들과 이들 기술로부터 균등한 기술수단들에까지 보호범위가 인정되어야 할 것이다.
10: 내부드럼 20: 외부드럼
30: 나선형 격판 40: 나선형 냉각코일

Claims (6)

  1. 개질 반응의 결과물인 개질 가스 중 일산화탄소(CO)를 선택적으로 산화반응하는 연료전지의 변성 반응시스템에 있어서,
    외주면에 이너측벽(12)이 형성되고, 내부에 시동용 히터(11)가 설치되는 내부드럼(10);
    상기 내부드럼(10)을 감싸도록 설치되고, 내부에 이너측벽(12)과 이격되어 원형 반응공간(21)을 형성하도록 아우터측벽(22)이 형성되는 외부드럼(20);
    상기 원형 반응공간(21)에 나선형으로 배치되어, 개질 가스와 공기가 순환되는 나선형 변성유로(32)를 형성하고, 내부에 변성촉매(32a)가 구비되는 나선형 격판(30); 및
    상기 나선형 변성유로(32) 내부에 나선형으로 배치되고, 냉매가 순환되도록 구비되는 나선형 냉각코일(40);을 포함하고,
    상기 나선형 격판(30)은 양단부 높이가 서로 상이하게 형성된 반 링형 플레이트(31)를 90° 간격으로 엇갈리게 연결하여 나선형으로 조립 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 변성 반응시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 개질 가스는 나선형 변성유로(32)를 타고 하부에서 상방향으로 나선형으로 회전 이송되고, 상기 냉매는 나선형 냉각코일(40)을 타고 상부에서 하방향으로 나선형으로 회전이동하면서 개질 가스의 산화반응 온도를 제어하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 변성 반응시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 냉매는 공기로 형성되고, 상기 나선형 냉각코일(40)을 경유하여 출구를 통하여 배출되는 히팅 공기 중 일부가 나선형 변성유로(32) 입구로 투입되도록 회수라인(41)이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 변성 반응시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이너측벽(12)에 이너 나선홈(13)이 형성되고, 이너 나선홈(13)에 반 링형 플레이트(31) 내주면이 끼움 결합되어 나선형 격판(30)을 형성한 상태로 외부드럼(20)의 아우터측벽(22) 내부로 삽입하여 나선형 변성유로(32)를 형성하며, 상기 반 링형 플레이트(31) 외주면 지름은 아우터측벽(22) 지름 대비 확장된 사이즈로 형성되고, 상기 나선형 격판(30)을 아우터측벽(22) 내부로 삽입시, 반 링형 플레이트(31)가 나선형 격판(30) 삽입 방향과 반대방향으로 탄성 변형된 후, 탄성 복원력에 의해 아우터측벽(22)에 밀착 고정되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 변성 반응시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 아우터측벽(22)에 아우터 나선홈(23)이 형성되고, 아우터 나선홈(23)에 반 링형 플레이트(31) 외주면이 끼움 결합되어 나선형 격판(30)을 형성한 상태로 내부드럼(10)과 조립되어 나선형 변성유로(32)를 형성하며, 상기 반 링형 플레이트(31) 내주면 지름은 이너측벽(12) 지름 대비 축소된 사이즈로 형성되고, 상기 나선형 격판(30) 내주면으로 내부드럼(10)을 삽입시, 반 링형 플레이트(31)가 내부드럼(10) 삽입방향으로 탄성 변형된 후, 탄성 복원력에 의해 이너측벽(12)에 밀착 고정되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 변성 반응시스템.
  6. 삭제
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