KR20000011647A

KR20000011647A - 고온연료전지를가지는장치

Info

Publication number: KR20000011647A
Application number: KR1019990028035A
Authority: KR
Inventors: 슐러알렉산더
Original assignee: 요트 루나우; 술저 헥시스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2000-02-25
Also published as: CN1162930C; AU754820B2; AU4239299A; US6303243B1; CN1244048A; JP2000058091A

Abstract

본 발명의 장치(1)는 평면형 설계로 중심에 대해 대칭인 스택(2) 내에 배열되는 고온 연료전지(20)를 구비한다. 공급점이 기상 또는 액상 연료(50)를 위해 제공된다. 공급점에 후속하는 리포머(4)에서 프로세스 열이 공급되는 상태로 물(H₂O)의 존재하에 상기 연료는 적어도 부분적으로 CO 및 H₂로 촉매방식으로 전환될 수 있다. 애프터버너 쳄버(6)가 연료전지(20)의 배출점을 뒤따른다. 공급점과 애프터버너 쳄버 사이에 피드백 연결부(61)가 있어서 이 연결부를 거쳐 배출 가스(60', 70')가 공급점으로 피드백될 수 있다. 연료로서 가스가 전혀 제공되지 않을 경우, 공급점은 분무기와 같이 액상 연료를 공급하는 수단을 포함한다.

Description

고온 연료전지를 가지는 장치 {PLANT WITH HIGH TEMPERATURE FUEL CELLS}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 고온 연료전지(high temperature fuel cell)를 가지는 장치 및 그 장치의 작동 방법에 관한 것이다.

이러한 종류의 장치는 유럽특허 제EP-A 0 780 917호(=P.6719)로부터 공지된 것과 같은 장치를 포함한다. 이 장치는 단열 슬리브로 둘러싸인 연료전지가 갖추어진 셀 블록(cell block)을 가진다. 상기 슬리브와 셀 블록 사이에는 애프터버너 쳄버(afterburner chamber)가 위치한다. 슬리브 내에는 연료 가스의 처리를 위한 리포머(reformer)(프리-리포머로 불리우기도 함)가 배설된다. 상기 리포머는 열교환기에 연결되고, 이로써 흡열반응인 개질공정(reforming process)을 위한 열이 배출 가스로부터 리포머로 공급될 수 있다.

많은 경우에 주로 메탄으로 구성되는 연료 가스의 개질에 있어서, 물(H₂O)의 존재하에 공급되는 프로세스 열을 사용하여 연료 가스는 촉매반응에 의하여 적어도 부분적으로 CO와 H₂로 전환된다. 기상(氣相) 연료 대신에 액상(液相) 연료가 제공될 수 있으나, 액상 연료의 사용에는 적합한 방식으로 액상 연료가 리포머로 공급되어야 한다는 점에서 추가의 문제가 결부될 수 있다.

본 발명의 목적은 전체 공정에 필요한 물(H₂O)이 공정 전반에 유리한 방식으로 획득되어 개질공정에 공급되는 고온 연료전지를 가지는 장치를 제공하는 것이다. 상기 목적은 청구항 1의 특징에 따른 장치에 의해 충족된다. 또한 현재 논란의 대상인 연료(critical fuel), 특히 액상 연료(탄화수소 C_nH_2n+2(n>5)를 함유하는 연료)에서 검댕(soot)의 형성이 가능한 한 방지되는 추가적인 방법이 제공된다. 상기 추가적인 목적은 또한 애프터버너 쳄버로부터 획득될 수 있고 충분히 많은 양으로 피드백되는 배출 가스에 의해 충족될 수 있다.

본 발명에 의한 상기 장치는 평면형 설계로 중심에 대하여 대칭인 스택(stack) 내에 배열되는 고온 연료전지를 포함한다. 기상 또는 액상 연료를 위한 공급점(supply point)이 제공된다. 상기 공급점에 뒤이은 리포머에서 공급되는 프로세스 열을 사용하여 물(H₂O)의 존재하에 연료는 적어도 부분적으로 CO와 H₂로 촉매방식으로 전환될 수 있다. 상기 연료전지의 배출점(output point)에 뒤이어 애프터버너 쳄버가 배설된다. 상기 공급점과 애프터버너 쳄버 사이에 피드백 연결부(feedback connection)가 존재하고 이것을 거쳐 배출 가스가 공급점으로 피드백될 수 있다. 연료로서 가스가 전혀 공급되지 않을 경우, 상기 공급점은 예를 들면 분무기(atomiser)와 같이 액체연료를 공급하는 수단을 포함한다.

O₂는 피드백 배출 가스와 함께 연료에 공급된다. 그 결과 리포머 내에서 부분 산화반응이 일어나고, 부분 산화반응을 통해 탄화수소 C_nH_2n+2로부터 생성물 CO 및 H₂가 형성된다. 발생하는 열은 병행하여 일어나는 개질공정에서 흡수되고, 이로써 열이 활용된다. 부분 산화반응을 통해 검댕의 형성은 효과적으로 억제된다.

피드백되는 배출 가스에 추가로 함유되어 있는 CO₂는 H₂와 마찬가지로 탄화수소를 CO와 H₂로 개질시킨다.

종속 청구항인 제2항 내지 제6항은 본 발명에 의한 장치의 바람직한 실시예에 관한 것이다. 제7항 내지 제9항의 주제는 본 발명에 의한 장치의 작동 방법이다.

도 1은 고온 연료전지를 가지는 본 발명에 따른 장치의 개략도이고,

도 2는 연료전지의 단면을 나타내는 본 발명에 따른 장치의 부분도이고,

도 3은 배출 가스 피드백을 구비한 장치를 나타내는 본 발명의 제2 실시예이고,

도 4는 액상 연료용 공급점을 나타내는 도면이고,

도 5는 액상 연료용 리포머의 촉매 담체(catalyst carrier)로 사용될 수 있는 가스 투과성 구조체의 단면도이고,

도 6은 H₂O 및 CO₂개질공정 및 탄화수소 C_nH_2n+2(여기서 각각 n=1,4,16,또는 20임)를 사용한 부분 산화반응에서 획득되거나 방출되는 엔탈피(enthalpy)에 대한 수치를 나타내는 표이다.

도 1의 장치는 다음의 구성요소를 포함한다: 평면형 링 형상의 연료전지(20) 및 전기에너지(E)를 송출하기 위한 폴(pole)(27, 28)을 구비하는 스택(2); 내부 구조가 도시되지 않은 슬리브(3)―이 슬리브에 의하여 작동중에 주변 공기(80, 81)가 예열되어 셀 스택(2)에 공급되고 균일하게 분배됨―; 상기 셀 스택(2)과 슬리브(3) 사이의 애프터버너 쳄버(6)―상기 쳄버로부터 열교환기(7)를 거쳐 배출 가스(60, 70)가 인도되어 나감(가열 열량 Q가 물 순환의 열 운반매체(79)로 전달됨); 고온의 배출 가스(60')가 냉각된 배출 가스(70')과 합쳐지는 혼합부재(67); 배출 가스용 피드백 라인(61); 통풍기(ventilator)(62); 및 연료(50)(공급 라인(51))가 라인(61)의 피드백되는 배출 가스와 혼합되는 부분(5). 상기 혼합물은 공급점(5)에 후속하는 개질공정(reforming)을 통해 처리되고 처리된 연료(57)는 전지(20) 내부로 공급되어 기체(58)로서 상기 전지를 통과하여 흐른다.

상기 개질공정은 흡열공정이다. 리포머(4)―도 2 참조―는 스택의 축을 따라 셀 스택(2)의 중앙 공동부(central cavity)(25) 내에 효과적으로 배설되고 전지(2)에 의해 방출되는 복사열이 상기 중앙 공동부에 의해 수용되도록 설계된다.

도 2는 보다 상세한 도면으로서, 고온 연료전지(20)는 전기화학적으로 활성인 플레이트(21)(두 개의 전극층 및 그 전극층 사이에 위치한 고상 전극층을 구비함) 및 인접한 전지들(20)의 전기화학적 활성 플레이트들(21)을 전기적으로 도통하도록 연결하는 인터커넥터(inter-connector)(22)를 포함한다. 상기 인터커넥터(22)는 공급라인(81')을 통해 공급되는 공기(82)를 가열하기 위한 열교환기로서 설계된다. 가열된 공기(83)는 상기 가스(58)에 평행하게 반경방향으로 외향하여 흐른다. 전지(20)에서 반응하지 않은 가스(58)의 성분은 애프터버너 쳄버(6)에서 기류(83)와 합쳐진 후 연소된다. 상기 링-갭 형상(ring-gap-shaped) 쳄버(6)는 외부로부터 내측이 피막(36)으로 밀봉된 공기투과성 벽(31)에 의해 둘러싸여 있다. 공기(80)는 제2의 링-갭 형상의 공간(38)을 거쳐 상기 벽(31)으로 공급되고 거기에서 가열되어 라인(81')을 통해 상기 인터커넥터(22) 내부로 공급된다. 상기 벽(31) 및 분배 쳄버(38)를 둘러싸는 슬리브는 배기되어 있는 링-갭 형상 쳄버(39)에 의해 외부에 대하여 폐쇄된다.

상기 장치(1)가 작동하는 동안, 연료전지(20)에서는 전류가 흐르고 배출 가스 및 폐열이 생성되는 공정이 진행된다. 리포머(4)로 피드백되는 배출 가스(60', 70')는 H₂O, CO₂, O₂, 및 N₂를 함유한다. 예를 들면 C_nH_2+2n(여기서 n=1,2,…임)와 같은 탄화수소를 함유하는 연료(50)의 개질공정은 다음 식과 같은 흡열반응을 포함한다:

CH₄+ H₂O → CO + 3H₂

C_nH_2n+2+ nH₂O → nCO + (2n+1)H₂

CH₄+ CO₂→ 2CO + 2H₂.

상기 반응과 병행하여 부분 산화반응, 즉 다음 식

C_nH_2n+2+ n/2O₂→ nCO + (n+1)H₂

과 같은 발열반응이 일어난다. 상기 부분 산화반응에서 생성된 열 및 연료전지의 에너지 전달공정의 열이 개질공정을 위한 프로세스 열로 공급된다.

최소량의 배출 가스(60', 70')만이 유리하게 개질공정에 피드백된다. 연료전지(20) 내의 가스 전극(gas electrode)의 재질이 개질공정에 적합할 경우, 탄화수소는 완전히 전환될 필요가 없고, 특히 10% 내지 90%의 범위로 전환되면 된다.

도 3은 피드백되는 배출 가스(70')의 일부분이 주변 공기(80)와 혼합되는 장치(1)를 나타낸다. 송풍기(blower)(8)에 의해 전송되는 상기 주변 공기(80)는 O₂를 방출하고 폐열을 수용하는 매체로서 전류 전달공정에 이바지한다. 전달된 양은 초과량의 O₂(상기 프로세스에 대하여 요구되는 화학양론적 양에 비하여)를 생성한다.

라인(71) 및 밸브(72)를 통해 혼합되는 배출 가스(70')에 의해 전지(20)를 통과하여 흐르는 공기(58) 중의 O₂의 비율이 감소됨으로써 형성되는 배출 가스(60)를 위한 O₂함량의 대응하는 감소가 또한 초래된다. 이것은 피드백되는 배출 가스(70')와 함께 상대적으로 적은 O₂가 리포머 내부로 공급되고 따라서 부분 산화반응을 통한 스루풋(through-put)의 감소에 따라 장치(1)의 효율이 향상되므로 유리하다. 제1 실시예에서와 같이 고온의 배출 가스(60')는 또한 피드백 배출 가스(70')에 혼합될 수 있다(도 3에 도시되지 않음).

상기 열교환기(7)는 추가의 버너(burner)(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 애프터버너 쳄버(6)에 후속하여 증가되는 열 요구량을 충족시키기 위해 제공될 수 있는 이러한 종류의 추가적인 버너에서 추가의 연료 및 O₂를 함유하는 배출 가스(60)와 함께 추가적인 연소가 이루어질 수 있다. 또한 이 종류의 추가 연소를 위해 배출 가스(60)의 일부분만 사용할 수도 있다.

도 4는 펌프(52)에 의해 공급되는 액상 연료(50)용 공급점(5)을 나타낸다. 상기 연료(50)는 노즐장치(54)에서 분사되고 피드백되는 배출 가스(70')(또는 70' 및 60')와 혼합된다. 생성되는 혼합물인 에어로솔 스프레이(56')는 셀 스택(2)의 중앙 공동부(25)에 위치한 리포머(4) 속으로 분배된다(도 1 및 도 2 참조). 튜브형 리포머(4)에서 상기 에어로솔 스프레이(56')는 촉매를 함유하는 가스 투과성 구조체(40) 내에서 처리된다(개질공정 및/또는 부분 산화반응에 의해). 도 5에서 단면도로 예시되는 상기 구조체(40)는 동심으로 배열되는 내부 구역(40a)과 외부 구역(40b)으로 이루어진다. 상기 외부 구역(40b)은 불균일하게 형성되고 내부 구역에 비하여 실질적으로 큰 반경방향 흐름을 생성한다. 상기 내부 구역(40a)은 액적(液滴) 침전기로서 설계된다. 내부 구역에서 연료(50)의 액상(液相) 이 통과하여 증발에 의해 또는 화학반응 결과로서 기상(氣相)으로 바뀐다. 외부 구역(40b)에서 상기 처리가 계속되고; 동시에 상기 조밀한 구역(40b)을 통하여 개별적인 연료전지(20)으로의 처리된 가스(57')의 균일한 분배가 일어난다.

예로써 다음과 같은 물질이 개질 및/또는 부분 산화반응용 촉매로서 고려 대상이 된다: 백금, 팔라듐, 루테늄, 로듐 및 니켈 또는 이들 물질 중 2종 이상의 혼합물. 그러나 니켈은 검댕(soot)을 형성하므로 부분 산화반응용으로는 적합성이 떨어진다.

탄화수소(가솔린, 가열유, 종유(種油; rape oil))의 취급이 어려우므로, 탄소의 퇴적, 즉 검댕의 형성 위험성을 배제할 수 있도록 추가의 물 입구(도 3의 참고부호 90)가 필요할 수도 있다. 상기 추가의 물 입구를 통해 실질적으로 개질 반응 및 부분 산화반응 상호간의 임의의 소망하는 비율을 설정할 수 있다. 이 비율은 연료에 따라 상이하므로, 그 방법은 각각의 연료에 대해 이상적으로 적응될 수 있다. 검댕을 형성하는 경향이 약한 연료(천연가스, 바이오 가스, 메탄올 등)의 경우에는 추가의 물 공급을 생략할 수 있다.

도 6에서, 흡열반응인 H₂O과 CO₂의 개질공정(양의 엔탈피 값) 및 탄화수소 C_nH_2n+2(여기서 각각 n=1,4,16, 또는 20)과의 부분 산화반응(음의 엔탈피 값)에서 수용되거나 방출되는 엔탈피에 대한 수치(단위는 kJ/몰)가 표의 형태로 수록되어 있다.

피드백되는 배출 가스 중의 질소는 연료 가스의 희석을 초래한다. 이것은 상기 장치의 전기화학적 성능에 대하여 별로 부정적인 영향을 주지 않는다. 질소 성분은 검댕의 형성을 감소시키므로 심지어 긍정적인 영향을 주기도 한다.

배출 가스의 피드백을 위해 배설되는 통풍기(62)(도 3)는 충분히 높은 압력을 가지는 기상 연료가 사용될 수 있는 경우에는 분사장치(injector)로 대체될 수 있다. 이러한 종류의 연료를 사용하여 분사장치 내에 구동 플로우(drive flow)가 생성될 수 있고, 구동 플로우에 의해 배출 가스가 흡입되고 연료와 혼합된 상태로 리포머 내부로 공급될 수 있다.

이상 설명한 실시예는 리포머가 셀 블록의 내부에 위치하는 장치에 관한 것이다. 그러나 본 발명은 리포머가 셀 블록 외부이면서도 슬리브 내부에 배설되는 장치(예를 들면 앞에서 언급한 유럽특허 제EP-A 0 780 917호에서의 경우) 또는 예를 들면 도 1의 장치 요소 5에서와 같이 완전히 슬리브의 외부에 배설되는 장치에도 적용된다.

본 발명에 따른 고온 연료전지를 구비하는 장치를 사용함으로써 전체 공정에 필요한 물이 공정 전반에 유리한 방식으로 획득되어 개질공정에 공급되며, 또한 임계 연료, 특히 액상 연료에서 검댕의 형성이 방지될 수 있는 추가적인 방법이 제공된다.

Claims

고온 연료전지(20)를 가지는 장치(1)에 있어서,

연료(50)용 공급점(5);

상기 공급점에 이어지고, H₂O의 존재하에 프로세스 열이 공급되는 가운데 연료가 적어도 부분적으로 CO 및 H₂로 촉매방식으로 전환되는 리포머(reformer)(4); 및

연료전지(20)의 배출점(output point)에 연결되는 애프터버너 쳄버(afterburner chamber)(6)

를 포함하고,

상기 공급점과 애프터버너 쳄버 사이에 피드백 라인(feedback line)(61)이 배설되어, 배출 가스(60', 70')가 상기 피드백 라인을 거쳐 상기 공급점으로 피드백될 수 있고,

연료로서 가스가 전혀 제공되지 않을 경우에, 상기 공급점은 예를 들면 분무기(atomiser)와 같은 액상(液相) 연료를 공급하는 수단을 포함하는

고온 연료전지를 가지는 장치.
제1항에 있어서,

배출 가스(60)와 함께 상기 애프터버너 쳄버로부터 이송되는 폐열(Q)이 열 운반수단(79), 특히 물에 전달될 수 있는 열교환기(7)는 상기 애프터버너 쳄버(6)에 이어져서 배설되고,

상기 배출 가스(60', 70')의 피드백 연결부(61)의 적어도 일부분은 상기 열교환기에 연결되는

고온 연료전지를 가지는 장치.
제2항에 있어서,

예를 들면 통풍기(ventilator)와 같은 흡입수단(suction means)(62)이 상기 열교환기(7) 및 연료의 공급점(5, 54) 사이의 피드백 연결부(61)에 배설되는 고온 연료전지를 가지는 장치.
제3항에 있어서,

상기 열교환기(7)와 상기 흡입수단(62) 사이에 혼합부재(mixing member)(67)―여기서 혼합부재에 의해 고온의 배출 가스(60')는 열교환기로부터의 배출 가스(70')에 혼합될 수 있음―가 연결되어 배설되는 고온 연료전지를 가지는 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

추가의 버너가 상기 애프터버너 쳄버(6)와 상기 열교환기(7) 사이에 배설되며, 상기 추가의 버너에서 상기 애프터버너 쳄버의 배출 가스(60)의 적어도 일부분 및 추가 연료와 함께 추가 연소가 행해질 수 있는 고온 연료전지를 가지는 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 연료전지(20)는 중심에 대해 대칭인 스택(2)―여기서 스택 내부로 상기 리포머(4, 54)에서 처리되는 연료(57)가 스택의 축을 따라 배열되는 중앙 공동부(central cavity)(25)를 거쳐 공급됨―을 형성하고,

상기 리포머는 개질공정에 필요한 프로세스 열이 복사(radiation)를 거쳐 연료전지에서 리포머로 전달될 수 있도록 상기 중앙 공동부에 배설되는

고온 연료전지를 가지는 장치.
전류 및 배출 가스(60)를 전달하고 폐열을 형성하는 공정을 수행하는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 장치(1)의 작동 방법에 있어서,

상기 리포머(4, 54)에서, H₂O, CO₂, O₂및 N₂를 함유하고 피드백되는 배출 가스(60', 70')가 예를 들면 C_nH_2+2n(여기서 n=1,2,…)와 같은 탄화수소를 함유하는 연료(50)와 다음 식

CH₄+ H₂O → CO + 3H₂

C_nH_2n+2+ nH₂O → nCO + (2n+1)H₂

CH₄+ CO₂→ 2CO + 2H₂

와 같은 흡열반응 및 다음 식

C_nH_2n+2+ n/2O₂→ nCO + (n+1)H₂

와 같은 부분 산화반응 인 발열반응을 일으키고,

전류(電流) 전달공정의 폐열이 적어도 부분적으로 연료전지(20)에서의 프로세스 열로서 사용되는

작동 방법.
제7항에 있어서,

최소량의 배출 가스(60', 70')는 개질공정으로 피드백되고, 상기 탄화수소는 완전히 전환되지는 않으며 10% 내지 90%의 범위만 전환되는 작동 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서,

송풍기(8)를 사용하여 O₂를 방출하고 열을 수용하는 매체로서 주변 공기(80)가 전류 전달공정으로 공급되고,

공급되는 O₂의 양은 프로세스에 필요한 화학양론적 양에 관련되는 초과량의 O₂가 최대 300%에 달하도록 설정되며,

피드백되는 배출 가스(60', 70')의 일부분은 주변 공기(80)에 혼합되는

작동 방법.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

개질공정에서 추가의 물(90)이 연료(50)의 선택에 적합한 양만큼 사용되는

작동 방법.