KR20010076243A - 액체 연료용 연료 전지 - Google Patents

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슐러알렉산더
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요트 루나우
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Abstract

액체 연료용 연료 전지(1)는 다음 부재를 가지고 있다: 축(2a)을 따라 배치되며 주변부(2b) 속에 있는 셀 스택(2); 그것을 경유하여 리포밍(reforming)된 연료 가스가 스택(2)의 셀(20) 속으로 공급될 수 있는 스택 축(2a) 상의 분배 통로(21); 주변부(2b)의 시동을 위한 보조 버너(3). 반응 장치(3)는 셀 스택과 연결되어 있으며, 부분 산화를 통한 액체 연료의 리포밍 처리에 의해 일산화탄소와 수소를 함유하는 연료 가스를 형성한다. 열교환기 시스템(4)은 반응 장치 속에 일체 구조로 형성되어 있고, 그것에 의해 전지(1)의 전류 공급 프로세스에서 - 연소 후실(afterburning chamber)에서 나온 고온 배기 가스를 이용 - 액체 연료는 기화될 수 있으며, 기상(gaseous) 산소 캐리어(carrier; 擔體)는 가열될 수 있다. 기화된 연료는 열교환기 시스템의 일부인 송입 지점(6; infeed point)을 경유, 가열된 산소 캐리어와 접촉하여 리포밍된 연료 가스를 생성하기 위해 가열된 산소 캐리어와 접촉될 수 있다. 이 연료 가스는 반응 장치로부터 셀 스택의 분배 통로 속으로 공급될 수 있다.

Description

액체 연료용 연료 전지 {FUEL CELL BATTERY FOR LIQUID FUELS}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 액체 열료용 연료 전지, 그 작동 방법 및 전지의 사용에 관한 것이다.
예를 들어, EP-A-0654838(=P.6612)에 공개된 고온 연료 전지를 가진 장치에 있어서, 연료 가스 및 공기를 함유한 메탄으로부터 전기적 에너지가 생성된다. 제1 단계에서 연료 가스는, 일산화탄소(CO) 및 수소(H2) 를 함유하는 연료 가스를 생성하기 위하여 약 800℃에서 수증기(H2O) 및 열의 입력과 함께 촉매를 사용하여 처리(리포밍)된다. 전류 공급 프로세스는 제2 단계에서 이 리포밍된 연료 가스와 함께 작동 온도가 850 내지 900℃의 연료 전지 내에서 실행된다. 전류 공급 프로세스 및 연소 후실에서 발생하는 방출열은 처리 공정, 즉 리포밍 작업에 사용된다. 또한 일산화탄소(CO) 및 수소(H2) 를 함유하는 연료 가스를 생성하고, 이미 알려진 연료 전지의 작동에 이것들을 사용하기 위하여, 예를 들어, n > 5, m = 2n + 2의 탄화수소(CnHm) 또는 이러한 탄화수소의 혼합물인 액체 연료를 리포밍하는 것도 가능하다. 연료는 리포밍에 앞서 이 방출열 - 바람직하게는 현재 사용되는 방출열 - 에 의해 기화된다. 정치식 장치에서 연료 전지의 작동을 위한 액체 연료의 사용은 가능하다; 예를 들면, 자동차 등의 이동식 장치에서는 특히 유리한데, 여기서는 연료가 탱크와 함께 휴대될 수 있다. 이동식 사용의 경우, 리포밍에 물이 필요하며, 공지의 장치에서는 탈이온수가 사용되어야 하나 본 발명에서는 요구되지 않는다.
본 발명의 목적은, 연료 가스의 처리에 물이 필요치 않는, 이동식 장치에서 사용될 수 있는 액체 연료용 연료 전지를 만드는 것이다. 이 목적은 청구항 1에 정의된 전지에 의해 충족될 수 있다.
액체 연료용 연료 전지(1)는 다음 부재들을 가지고 있다: 축을 따라 배치되며 주변부 속에 있는 셀 스택; 그것을 경유하여 리포밍된 연료 가스가 스택의 셀 속으로 공급될 수 있는 스택 축 위의 분배 통로; 주변부의 연소 후실; 시동을 위한 보조 버너. 반응 장치는 셀 스택과 연결되어 있으며, 부분 산화를 통한 액체 연료의 리포밍 처리에 의해 일산화탄소와 수소를 함유하는 연료 가스를 형성한다. 열교환기 시스템은 반응 장치 속에 일체 구조로 형성되어 있고, 그것에 의해 전지의 전류 공급 작동에서 - 연소 후실에서 나온 고온 배기 가스를 이용 - 액체 연료는 기화될 수 있으며, 기상 산소 캐리어는 가열될 수 있다. 기화된 연료는 열교환기 시스템의 일부인 송입 지점(infeed point)을 경유하여 리포밍된 연료 가스를 생성하기 위해 가열된 산소 캐리어와 접촉될 수 있다. 이 연료 가스는 반응 장치로부터 셀 스택의 분배 통로 속으로 공급될 수 있다.
종속항 제2항 내지 제9항은 본 발명에 따른 연료 전지의 바람직한 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전지의 사용 방법 및 사용 가능성은 제10항 및 제11항에 제시되어 있다.
이동식 사용의 경우, 경제적 이유에서 리포밍에 물이 필요한데, 공지의 장치에서는 탈이온수가 사용되어야 하므로 경제적으로 실용적이지 못하다.
본 발명의 과제는, 연료 가스의 처리에 물이 필요치 않는, 이동식 장치에서 사용될 수 있는 액체 연료용 연료 전지를 만드는 것이다. 이 목적은 청구항 1에 정의된 전지에 의해 충족될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지의 제1 실시예,
도 2는 도 1 연료 전지의 평면도,
도 3은 제2 실시예,
도 4는 제3 실시예를 도시하는 상세도,
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지를 가진 장치의 개념도, 및
도6은 부분 산화를 실행하기 위한 내장 부재의 대안적 솔루션.
다음에서 본 발명은 도면을 참조로 하여 설명될 것이다.
본 발명에 따른 연료 전지(1)는 액체 연료에 의한 전류 생성을 위해 사용될 수 있는데, 이에 대한 제1 실시예가 도 1에 도시되어 있다; 이 전지(1)의 평면도는 도 2에 도시되어 있다. 전지(1)는 주변부(2b) 내에 축(2a)을 따라 스택(2; stack)을 형성하는 연료 셀(20)를 포함한다. 그것을 경유하여 리포밍된 연료 가스가 상기 셀(20) 속으로 공급될 수 있는 분배 통로(21)는 스택 축(2a) 상에 놓여진다. 슬리브(15)는, 도시되지 않은 급기 수단을 포함하는데, 이 급기 수단을 경유하여 기상 산소 캐리어가 셀(20)들 속으로 공급될 수 있다. 전류 공급 프로세스에서는 완벽하게 사용되지 못한 연료가, 스택 주변부(2b)의 하나 이상의 연소 후실(22)에서 셀(20)을 통과한 산소 캐리어에 의해 완벽하게 연소된다.
셀 스택(2)은 전지(1)의 전극으로서 형성될 수 있는 플레이트(11 및 12) 사이에 위치된다. 하나 위에 하나씩 적재되어 있는 셀(20) 부재들 사이에 요구되는 압력은 타이 바(13; tie bar)와 스프링(14)에 의해 제공된다. 타이 바(13)는 전지(1)의 비교적 온도가 낮은 가장자리에 배치되어 있으며, 단열재(16)가 플레이트(11) 전체를 덮고 있다.
반응 장치(3)는 스택 축(2a)과 동일 중심으로 배치되어 있으며 셀 스택(2)과 접촉 상태로 놓여 있다. 이 반응 장치(3)에서 액체 연료의 처리를 위해 부분 산화에 의한 리포밍이 실행되고 있다. 여기에서 이 리포밍에 요구되는 물의 공급없이, 일산화탄소와 수소를 함유하는 연료 가스가 발생한다.
단열 슬리브(35) 내에 위치한 열교환 시스템(4)은 반응 장치(3) 속에 일체 구조로 되어 있다. 전지의 전류 공급 작동 동안, 액체 연료의 기화를 위하여, 한편 기상 산소 캐리어를 가열하기 위하여, 연소 후실(22)에서 나오는 고온 배기 가스가 이용될 수 있다. 기화된 연료는 열교환기 시스템(4)의 일부인 송입 지점(6)을 경유하여, 가열된 산소 캐리어와 접촉됨으로써, 부분 산화에 의한 리포밍이 일어날 수있다. 리포밍된 연료 가스가 형성된 후, 이 연료 가스는 반응 장치(3)로부터 셀 스텍(2)의 분배 통로(21) 속으로 공급된다.
열교환기 시스템(4) 내에서, 두 개의 링형 갭 형상의 보조 체임버(41 및 42)를 통해 반대 방향으로 흐르는 배기 가스와 산소 캐리어 사이에 간접적 열교환이 일어난다. 보조 체임버(41 및 42)는 대부분 스택 주변부(2b)의 연장부에 배치되어 있다. 산소 캐리어는 입구 스터브(31; inlet stub)를 경유하여 열교환기 시스템(4) 속으로 들어가며, 그곳으로부터 보조 체임버(41)를 거쳐 공통 통로(410)로, 다시 연결 라인(411)을 경유하여 송입 지점(6)으로 간다. 배기 가스는 연소 후실(22)로부터 나와서 플레이트(12)의 구멍(223)을 경유하여 보조 체임버(42) 속으로 들어가며, 출구 스터브(32; outlet stub)를 경유하여 열교환기 시스템(4)을 떠난다.
반응 장치(3)의 중심부에서, 연료 및 예열된 산소 캐리어를 위한 동축 송입관은 송입 지점(6)을 형성하며, 송입관은 연료용의 중심부 관(33) 및 산소 캐리어용의 외부관(46)으로 형성되어 있다. 이들 송입관(33, 46)은 연료의 기화를 위해, 전류 공급 작동에서 충분한 양의 열이 예열된 산소 캐리어로부터 연료 속으로 전달된다.
반응 장치(3)는 내장 부재(5)를 구비하고 있으며, 충분히 큰 체적을 확보하여 부분 산화가 실행되기 위한 충분한 드웰 시간(dwell times)을 가지는 결과, 연료에 포함된 탄소의 대부분이 반응하여 일산화탄소 또는 이산화탄소를 형성한다. 상기 내장 부재(5)의 목적은 반응 대상물들의 혼합을 좋게하고, 높은 재순환을 얻기 위함이다. 이에 따라 균일한 반응 밀도가 이루어진다. 또한 이를 통해 온도 분포가 균일해지고 매연 발생이 최소화된다.
전지 작동의 시동시 연료의 기화를 위해 사용될 수 있는, 전기 히터(7)는 액체 연료를 위한 공급 라인(33)에 제공되는 것이 바람직하다. 이 히터는 반응 장치(3)의 시동시, 보조 버너로서도 사용될 수 있으며, 산소 캐리어는 연료가 완전 연소될 수 있도록 넉넉하게 공급된다. 고온의 연소 가스는 셀(20)의 가열을 위해 사용될 수 있다.
도 3은 제1 실시예와 대체로 동일한 내장 부재(5)를 가진 제2 실시예를 도시하고 있다. 이들 내장 부재(5)는 두 개의 동축 실린더(51 및 52)로 구성되어 있으며 송입 지점(6) 둘레에 배치된다. 외부 실린더(51)는 자켓 표면(51a) 및 폐쇄된 끝면(52b)을 가지고 있으며, 여기에서 송입부(6)로부터 나오는 가스 흐름이 구부러진다. 제1 실린더(51) 내에 배치된 또다른 실린더(52)는 개구부(520)를 가진 자켓 표면을 형성한다. 이 가스 흐름은 운동량(momentum)을 가지며, 이 운동량에 의해 제1 실린더(51)에 루프형 순환류가 유도된다.
점화 전극(70)을 가진 점화 장치(7)가 송입 지점(6)에 배치되어 있으며, 이것에 의해 전지의 시동시 연소가 시작될 수 있고, 또한 부분 산화의 시작시 반응이 개시될 수 있는데, 이것은 화염(80)으로 표시되어 있다.
열교환기 시스템(4)은 제1 실시예와 다르다; 연소 후실(22)에서 나오는 고온 배기 가스의 흐름은 외부의 링형 갭 형상의 보조 체임버(42)로 안내된다. 관(32)과 동심을 가지는 이 보조 체임버를 통해 배기 가스는 반응 장치(3)에서 빠져 나가며, 산소 캐리어는 관(31)을 지나 열교환기 시스템(4) 속으로 들어간다. 여기서 내부의링형 갭 형상의 보조 체임버(41)를 통하여 배기 가스 방향과는 반대 방향으로 흘러 간다. 가열된 산소 캐리어는 제2 링형 갭 형상의 보조 체임버(412)를 경유하여 송입 지점(6)의 관(46)으로 안내된다. 관(46)의 출구단(60)은 노즐로 형성되어, 반응 체임버 내에 순환류를 유도하기 위한 충분한 운동량이 전달되도록 한다.
도 4는 열교환기 시스템(4)과 관련된 제3 실시예를 도시한 상세도이며, 이 열교환기 시스템은 제1 실시예의 열교환기 시스템의 변형이다: 배기 가스를 위한 송입 구멍(223)에서 래디얼 갭 체임버(45)가 링형 갭 형상의 체임버(41; 산소 캐리어, 및 42; 배기 가스)를 따라 배치되어 있는데, 이 체임버(45)를 경유하여 배기 가스로부터 산소 캐리어로 열교환이 일어난다.
본 발명에 따른 전지(1)는 1kW 이상 5kW 미만의 전원을 구비하고 있다. 내장 부재(5)는 내부 실린더(52)의 직경이 5cm인 것 및 외부 실린더의 직경이 10cm인 것이 크기 등급별로 설계된다. 2cm의 갭 폭을 가진 링형 갭(53)이 외부 실린더 둘레에 제공되며, 그것을 통해 리포밍된 연료 가스가 분배 통로(21)의 입구 지점(210)으로 흘러갈 수 있다.
부분 산화에 의한 리포밍에서 산소 캐리어와 연료의 비율은, 연료에 포함된 탄소의 적어도 50%, 바람직하게는 80 내지 90%가 일산화탄소로 산화되도록 선택되며, 나머지는 이산화탄소로 산화된다.
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지(1)를 가진 장치(1')의 개념도를 도시하며, 여기에는 용기(10) 내에 배치되어 있다. 열교환기 시스템(4; 도시 안됨)이 구비된 반응 장치(3)의 주변부에 링형 갭 형상의 보조 체임버(101)가 주어져 있고 이것을통해 반응에 요구되는 공기 또는 다른 산소 캐리어가 안내될 수 있다. 공기는 용기(10)의 스터브(100)를 경유하여 공급된다. 보조 체임버(101)를 통해 흘러가서 단열 외함(15)을 경유하여 스택(2)의 셀(20) 속에 도달한다. 이와 같은 새로운 공기의 송입을 통해, 전지(1)의 표면이 저온을 유지하게 된다.
도 6에 부분 산화를 실행하기 위한 내장 부재(5)의 대안적 솔루션이 도시되어 있다. 도 1 내지 3에 따른 실시예의 내장 부재(5)와 비교하여, 여기에선 내부 실린더(52)가 빠져 있다. 그 대신에 가스 흐름이 굴절되도록 작용하는 링형의 디플렉션 벽(51c)이 실린더(51)의 하단면에 배치되어 있어, 화살표로 표시된 루프형 흐름이 이루어진다.
본 발명에 따른 연료 전지(1)는 정치식 또는 이동식 장치에 모두 사용될 수 있다.
연료 가스의 처리에 물이 필요치 않는, 이동식 장치에서 사용될 수 있는 액체 연료용 연료 전지를 제공하는 것이 본 발명이 가져다 주는 효과이다.

Claims (11)

  1. 축(2a)을 따라서 주변부(2b) 내에 배치되는 셀 스택(2), 및 리포밍된 연료 가스가 스택(2)의 셀(20) 속으로 공급될 때 경유하는 스택 축(2a) 상의 분배 통로(21), 스택 주변부(2b)의 연소 후실(22) 및 시동을 위한 보조 버너(3)를 포함하는 액체 연료용 연료 전지(1)로서,
    셀 스택과 연결되어 있는 반응 장치(3)는, 일산화탄소 및 수소를 함유한 연료 가스를 형성하기 위해, 부분 산화에 의한 리포밍에 의해 액체 연료를 처리하며,
    상기 반응 장치와 일체 구조로 되어 있는 열교환기 시스템(4)에 의해, 연소 후실에서 나오는 고온 배기를 사용하는 전지의 전류 공급 작동에서,
    액체 연료는 기화될 수 있고 기상 산소 캐리어는 가열될 수 있으며,
    송입 지점(6)은 열교환기 시스템의 일부이며,
    기화된 연료는 상기 송입 지점을 경유하여 리포밍된 연료 가스를 형성하기 위해 가열된 산소 캐리어와 결합될 수 있으며,
    연료 가스는 상기 반응 장치로부터 상기 셀 스택의 분배 통로 속으로 공급되는
    연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    반응 장치(3)는 상기 스택 축(2a)과 중심이 일치된 상태로 배치되어 셀스택(2)과 접촉해 있고;
    보조 버너로서 사용될 수 있는
    연료 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    열교환기 시스템(4) 내에서 전류 공급 작동 동안, 배기 가스와 산소 캐리어간의 간접적인 열교환이 일어나며;
    배기 가스와 산소 캐리어는, 적어도 두 개의 링 형상의 보조 체임버(41, 42)를 통해 이 열교환 시스템으로 안내될 수 있고, 상기 보조 체임버(41, 42)가 대부분 상기 스택 주변부(2b)의 연장선 상에 배치되는
    연료 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    반응 장치(3)의 중심부에 있는 동축 공급관(33, 46)은 연료 및 예열된 산소 캐리어를 위한 송입 지점(6)을 형성하며, 그것에 의해
    특히 중심부 공급관(33)을 통해 연료 공급이 가능하며;
    상기 공급관들은 전류 공급 작동시, 연료의 기화를 위한 충분한 양의 열이 예열된 산소 캐리어로부터 취해질 수 있도록 설계되어 있는
    연료 전지.
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 반응 장치(3)는 루프형 흐름을 위한 내장 부재(5)를 구비하고 있으며, 이 내장 부재는 충분히 큰 체적을 가지므로 부분 산화의 실행을 위한 드웰 타임이 충분하여 연료에 포함된 대부분의 탄소가 일산화탄소 또는 이산화탄소로 전환 반응되는
    연료 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기의 내장 부재(5)는 상기 송입 지점(6) 주위에 배치되어 있는 동축 실린더(51, 52)이며;
    상기 하나의 실린더(51)는 막혀 있는 끝면(51a, 51b)은 물론, 자켓면을 가지며, 이 자켓면은 송입 지점으로부터 나오는 가스 흐름을 굴절시키며;
    제1 실린더 내에 배치되어 있는 또다른 실린더(52)는 개구부(520)를 가진 자켓면을 포함하는데, 그 결과 이 가스 흐름은 제1 실린더(51) 내에서 루프형 순환을 하게되며, 제1 실린더의 자켓면(51a) 하부 에지 및 이 에지의 내부에 배치되어 있는 링 형상의 벽(51c)에 의해 내부 실린더(52)를 대신할 수 있는
    연료 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    1kW 이상 5kW 미만의 전원이 제공되며;
    상기 내장 부재는 내부 실린더(52)는 5cm의 직경, 외부 실린더(51)는 10cm의 직경의 것이 크기 등급별로 설계되며; 및
    그것을 통해 리포밍된 연료 가스가 분배 통로(21)의 입구 지점(210)으로 흘러갈 수 있는 갭폭이 2cm인 링갭(53)이 외부 실린더에 구비되어 있는
    연료 전지.
  8. 제1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    바람직하게는 전기적 가열 장치(7)가 액체 연료용 공급 라인(33)에 구비되어, 연료의 기화를 위한 전류 공급 작동시의 시동에 사용될 수 있으며;
    점화 전극(8, 80)이 송입 지점(6)에 배치되고, 그것에 의해 보조 버너의 연소 또는 시동을 위한 부분 산화가 점화될 수 있는
    연료 전지.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    링 형상의 보조 체임버(101)가 열교환기 시스템(4)의 주변부에 구비되며, 이것을 통해 반응에 소요되는 공기 또는 다른 산소 캐리어가 안내될 수 있는
    연료 전지.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소 캐리어와 연료 사이의 반응에 있어, 그 비율이 주어지는데, 이 때 연료에 포함된 탄소의 적어도 50%, 바람직하게는 80 내지 90%가 일산화탄소로 산화되며 나머지는 이산화탄소로 산화되도록 그 비율이 정해지는
    연료 전지(1)의 작동 방법.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    정치식 또는 이동식 장치에서, 예를 들어, n > 5, m = 2n + 2의 탄화수소(CnHm) 또는 이러한 탄화수소의 혼합물이 연료로서 사용되는
    연료 전지(1)의 사용법.
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