KR20010104711A - 변성장치 - Google Patents

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KR20010104711A
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이케가미슈지
오카모토야스노리
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이노우에 노리유끼
다이킨 고교 가부시키가이샤
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Abstract

개질반응부(6)에서 원료가스로부터 부분산화를 포함하는 반응에 의해 생성된 수소가 풍부한 개질가스중의 CO를 저감하고 또한 수소수율을 높이기 위하여, 그 개질가스를 시프트반응부(10)에서 변성촉매에 의해 수성가스 시프트반응시켜서 변성하는 경우에, 시프트반응부(10)에 있어서 개질반응부(6)로부터의 고온의 개질가스를 그대로 시프트반응할 수 있도록 하고, 변성장치를 심플한 구조로 할 목적으로, 개질반응부(6)로부터의 개질가스를 직접 시프트반응부(10)의 개질가스통로(11)에 도입하여 원료가스와 열교환하면서 시프트반응을 행하도록 한다. 개질반응부(6)로부터 나온 개질가스를 반응속도가 빠른 고온상태에서 반응이 평형적으로 유리하게 되는 저온상태까지의 넓은 온도범위에서 변성하고, 변성온도범위의 확대를 도모함과 아울러, 개질가스의 온도제어를 불필요하게 하여 변성장치의 구성의 간략화를 도모한다.

Description

변성장치{MODIFYING DEVICE}
일반적으로, 탄화수소나 메탄올을 개질하여 수소를 생성할 수 있고, 이와 같이 개질에 의해서 수소를 생성하는 연료개질장치는 연료전지나 수소엔진 등에 사용될 수 있다.
이와 같은 개질장치로서, 종래 예를 들면 일본 특허공개 평11-67256호 공보에 나타낸 바와 같이, 연료전지 시스템에 조성된 것이 알려져 있다. 이 연료개질장치는, 부분산화반응에 대해서 활성을 나타내는 촉매가 충전된 연료개질기를 구비하공 있고, 이 연료개질기에 원료가스를 도입하여 그 부분산화반응에 의해 수소를 보유하는 개질가스를 발생시키도록 하고 있다.
또, 이상과 같이 하여 생성된 개질가스중의 CO(일산화탄소)를 저감시키고 또한 수소수율을 향상시키기 위하여, 개질가스를 변성장치의 시프트반응부에 있어서 변성촉매에 의해 수성가스 시프트반응시켜서 변성하는 것이 행해지고 있다.
즉, 이 수성가스 시프트반응에 있어서는, 다음식에 나타낸 바와 같이 일산화탄소가 물에 의해 산화되어서 이산화탄소와 수소로 변화한다.
CO + H2O →CO2+ H2
그런데, 이 종류의 변성장치는, 시프트반응부의 내열성이 낮고, 개질반응부에서의 고온도(예컨대 700℃)의 개질가스를 그 고온도인 채로 도입하여 반응시키는 것이 불가능하므로, 시프트반응부를 고온 시프트반응부와 저온 시프트반응부로 나누고, 개질반응부의 개질가스를 예를 들면 400℃로 강온시킨 후에 고온 시프트반응부에 도입시키고, 그 고온 시프트반응부에서 나온 개질가스를 또한 예컨대 200℃로 강온시켜서 저온 시프트반응부에 도입시키도록 하고 있다.
그러나, 그 경우, 고온 및 저온 시프트반응부에 각각 유입되는 개질가스의 입구온도를 제어할 필요가 있고, 그 때문에 장치구성이 복잡하게 된다는 문제가 있다.
또, 상기와 같이 반응속도가 빠른 고온 조건하에서는 반응을 행하는 것이 불가능하므로, 개질가스를 변성할 수 있는 온도범위가 한정되어 버리는 것은 피할 수 없다.
또한, 고온 조건하의 수성 시프트반응에서는, 촉매의 내열성을 확보하기 위하여 그 양을 많게 할 필요가 있고, 그만큼, 열용량이 증대하여 부하변동의 응답성이나 기동시의 특성이 악화된다는 문제가 발생한다.
본 발명은 이러한 모든 점에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 상기한 변성장치의 구조에 고안을 몰두함으로써 그 시프트반응부에 있어서 개질반응부로부터의 고온의 개질가스를 그대로 시프트반응할 수 있도록 하여, 변성장치를 심플한 구조로 하는 것에 있다.
본 발명은 탄화수소계의 원료가스가 부분산화반응에 의해 개질되어서 생성되는 개질가스를 촉매에 의한 수성가스 시프트반응에 의해 변성하기 위한 변성장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 관한 변성장치를 나타내는 단면도,
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도,
도 3은 실시예 2를 나타내는 도 1 상당도,
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도,
도 5는 실시예 3을 나타내는 도 4 상당도,
도 6은 실시예 4에 관한 변성장치를 나타내는 단면도,
도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도,
도 8은 실시예 4에 관한 연료전지 시스템을 나타내는 회로도,
도 9는 실시예 5를 나타내는 도 6 상당도,
도 10은 도 9의 Ⅹ-Ⅹ선 단면도,
도 11은 실시예 6을 나타내는 도 10 상당도이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 변성장치의 시프트반응부에 있어서, 개질반응부로부터의 개질가스를 개질반응부로의 원료가스 또는 열회수가스와 열교환시키면서 시프트반응시키도록 하였다.
구체적으로는, 본 발명에서는 개질반응부(6)에서 원료가스로부터 부분산화를 포함하는 반응에 의해 생성된 수소가 풍부한 개질가스를 변성촉매에 의해 수성가스 시프트반응시켜서 변성하는 시프트반응부(10)를 보유하는 변성장치로서, 상기 시프트반응부(10)는 상기 개질반응부(6)에서의 개질가스를 직접 개질가스통로(11)에 도입하여 상기 원료가스와 열교환하면서 시프트반응을 행하도록 구성되어 있는 것으로 한다.
이것으로, 개질반응부(6)로부터의 고온의 개질가스가 직접 시프트반응부(10)에 도입되고, 그 개질가스는 시프트반응부(10)에 있어서, 개질반응부(6)에 공급되는 원료가스통로(3) 내의 원료가스와 열교환되면서 수성가스 시프트반응에 의해 변성된다. 이 때문에, 개질반응부(6)에서 나온 개질가스가 높은 온도인 채로 변성되고, 그 개질가스를 반응속도가 빠른 고온상태에서 반응속도는 느리지만 반응이 평형적으로 유리하게 되는 저온상태까지의 넓은 온도범위에서 변성할 수 있다.
더구나, 개질가스의 온도를 제어하는 것이 필요하지 않게 되어, 변성장치의 구성을 심플하게 할 수 있다.
또, 시프트반응부(10)의 변성촉매의 충전량을 저감하여 그 열용량을 감소할 수 있고, 부하변동의 응답성이나 기동시의 특성을 양호하게 유지할 수 있다.
상기 시프트반응부(10)의 변성촉매는, 내열성을 보유하는 귀금속계의 촉매로 하거나, 또는 시프트반응부(10)의 변성촉매는 Pt 또는 Pt, Ru의 합금을 활성금속으로서 사용한 것으로 하는 것이 좋다. 이렇게 하면, 상기 고온도에서 시프트반응을 행하는데 바람직한 변성촉매가 얻어진다. 즉, 내열성을 보유하는 귀금속계의 촉매로 하면, 촉매의 내구성이 높고, 넓은 온도영역에서 높은 활성을 유지할 수 있다. 또, Pt 또는 Pt, Ru의 합금을 활성금속으로서 사용한 촉매로 하면, 고온에서 활성이 높아져서 메탄화반응이 발생하기 어렵게 된다.
상기 시프트반응부(10)의 변성촉매는, 다공질재료에 도포 또는 담지되어 있는 것으로 할 수 있다. 이 다공질재료는 표면적이 크기 때문에 시프트반응부(10)에서 변성촉매와 개질가스의 접촉면적을 증대시켜서 반응속도를 빠르게 함과 아울러, 열의 복사효율을 증대시킬 수 있다.
상기 다공질재료는, 발포금속, 코디어라이트(cordierite) 또는 세라믹의 어느 하나로 하는 것이 좋다. 이것으로, 특히 개질가스와의 접촉면적의 증대를 확보할 수 있는 것에 바람직한 다공질재료가 얻어지다.
상기 시프트반응부(10)의 주위에, 개질반응부(6)에 대하여 원료가스를 공급하는 원료가스통로(3)를 설치하는 것도 가능하다. 이것으로, 시프트반응부(10) 주위의 원료가스통로(3)의 원료가스가 시프트반응부(10)에서의 반응열에 의해 가열되게 되어, 시프트반응부(10)에서의 반응열을 원료가스의 예열을 위하여 회수하고 이자기열회수에 의해 변성장치의 열효율을 향상시킬 수 있다.
그 경우, 시프트반응부(10) 및 원료가스통로(3)를 하우징(1) 내에 일체적으로 설치한다. 이것으로 변성장치의 구조를 심플하게 하여 비용절감을 도모할 수 있다.
시프트반응부(10)의 반응열 및 현열(顯熱)을 복사에 의해 원료가스통로(3)의 원료가스와 열교환시키는 열교환기(15)를 설치하여도 된다. 이렇게 하면, 시프트반응부(10)와 원료가스 사이의 열교환속도가 증대하여 전열효율을 높일 수 있다.
상기 시프트반응부(10)의 개질가스통로(11)는, 개질가스가 시프트반응부(10)의 중심측에서 외주측으로 향하여 흐르는 것으로 하는 것이 좋다. 이렇게 하면, 시프트반응부(10)의 입구부에서 출구부까지의 온도를 다르게 하여 온도분포를 형성할 수 있다.
그 경우, 시프트반응부(10)에서의 개질가스의 흐름방향 하류측 부분의 원료가스통로(3)와의 거리를 상류측 부분의 원료가스통로(3)와의 거리보다도 크게 하는 것이 좋다. 이 구성에 의해, 시프트반응부(10)의 복사에 의한 원료가스통로(3)로의 열교환량이 시프트반응부(10)에서의 개질가스의 흐름방향 상하류측 부분에서 서로 다르게 변화하여, 시프트반응부(10)의 출구부분의 온도를 대략 일정하게 유지할 수 있다.
상기 열교환기(15)는 원료가스통로(3)에 면하는 전열핀(16)을 보유하는 것으로 할 수 있다. 이렇게 하면, 전열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 전열핀(16)을 원료가스통로(3)를 따라서 복수 설치하고, 이들 복수의전열핀(16)의 시프트반응부(10)에서의 개질가스의 흐름방향 상류측의 피치를 하류측보다도 좁게 하는 것이 좋다. 이것으로, 시프트반응부(10)와 원료가스와의 사이의 열교환을 원활하게 행할 수 있다.
상기 개질가스통로(11)에 면하는 개질가스측 전열핀(21)과, 원료가스통로(3)에 면하는 원료가스측 전열핀(22)을 보유하고 있고, 시프트반응부(10)의 반응열 및 현열을 원료가스통로(3)의 원료가스와 열교환시키는 열교환기(23)를 설치하여도 된다. 그리고, 시프트반응부(10)의 변성촉매는 적어도 상기 개질가스측 전열핀(21)에 도포 또는 담지한다. 이렇게 하면, 시프트반응부(10)의 개질가스통로(11)의 개질가스가 개질가스통로(11)에 면하는 개질가스측 전열핀(21)의 변성촉매와 접촉하여 시프트반응한다. 이 반응열은 개질가스측 전열핀(21)에서 원료가스측 전열핀(22)을 통하여 원료가스통로(3)의 원료가스에 전달된다. 이 경우에도 시프트반응부(10)로부터 원료가스로의 전열효율을 높일 수 있다.
상기 개질반응부(6), 원료가스통로(3) 및 시프트반응부(10)를 하우징(1) 내에 일체적으로 설치한다. 이것으로, 변성장치의 구조를 더욱 심플하게 하여 비용저감을 도모할 수 있다.
한편, 개질반응부(6)에서 원료가스로부터 부분산화를 포함하는 반응에 의해 생성된 수소가 풍부한 개질가스를 변성촉매에 의해 수성가스 시프트반응시켜서 변성하는 시프트반응부(10)를 보유하는 변성장치로서, 상기 시프트반응부(10)는 상기 개질반응부(6)에서의 개질가스를 열회수가스와 열교환하면서 시프트반응을 행하도록 구성되어 있는 것으로 하여도 좋다.
이것으로, 개질반응부(6)에서의 고온의 개질가스는 시프트반응부(10)에 있어서 열회수가스와 열교환되면서 수성가스 시프트반응에 의해 변성된다. 이 때문에, 개질반응부(6)에서 나온 개질가스가 높은 온도인 채로 변성되고, 그 개질가스를 반응속도가 빠른 고온상태에서 반응속도는 느리지만 반응이 평형적으로 유리하게 되는 저온상태까지의 넓은 온도범위에서 변성할 수 있다.
즉, 개질반응부(6)에서의 고온의 개질가스와 열회수가스의 열교환에 의해, 시프트반응부(10)에 있어서 개질가스의 입구측에서는 온도가 높아져서 반응속도가 증대하는 한편, 출구측에서는 온도가 내려가서 반응속도가 저하하고, 열평형적으로 CO농도를 저감할 수 있다.
더구나, 개질가스의 온도를 제어하는 것이 불필요하게 되어 변성장치의 구성을 심플하게 할 수 있다.
또, 시프트반응부(10)에서의 열교환에 의해 그 고온의 배열을 열회수가스로서 회수할 수 있다.
또한, 시프트반응부(10)의 변성촉매의 충전량을 저감하여 그 열용량을 감소할 수 있고, 부하변동의 응답성이나 기동시의 특성을 양호하게 유지할 수 있다.
그 경우, 상기와 같이 시프트반응부(10)의 변성촉매는 내열성을 보유하는 귀금속계의 촉매로 한다. 이 내열성을 보유하는 귀금속계 촉매의 내구성은 높기 때문에 넓은 온도영역에서 높은 활성을 유지할 수 있다.
또, 시프트반응부(10)의 변성촉매는 Pt 또는 Pt, Ru의 합금을 활성금속으로서 사용한 촉매로 하면, 고온에서 활성이 높아지게 되어 메탄화반응이 발생하기 어렵게 된다.
상기 시프트반응부(10)의 변성촉매는 다공질재료에 도포 또는 담지되어 있는 것으로 한다. 이것으로, 시프트반응부(10)에서 변성촉매와 개질가스와의 접촉면적을 증대시켜서 반응속도를 빠르게 함과 아울러, 열의 복사효율을 증대시킬 수 있다. 상기 다공질재료는 발포금속, 코디어라이트 또는 세라믹의 어느 하나로 하는 것이 좋다. 그러면, 특히 개질가스와의 접촉면적의 증대를 확보할 수 있는 다공질재료가 용이하게 얻어진다.
상기 시프트반응부(10)의 변성촉매는 금속으로 이루어지는 촉매담체에 도포 또는 담지되어 있는 것으로 한다. 이것으로, 개질가스통로(11)에 면하는 촉매를 열회수가스와의 열교환에 의해 냉각하는데 바람직한 촉매담체가 얻어진다.
상기 열회수가스가 흐르는 열회수가스통로(37)를 촉매담체의 주위에 설치하는 것도 가능하다. 이렇게 하면, 촉매담체가 열회수가스통로(37)에 의해 둘러싸이므로 열효율을 향상시킬 수 있다.
상기 열회수가스는 공기로 할 수 있다. 이 공기를 열회수가스로 함으로써 고온의 열회수에 있어서 부분 부하시에도 안정된 열교환을 행할 수 있어, 이용하기 쉬운 열회수가스가 용이하게 얻어진다.
또, 상기 열회수가스는 연료전지(31)에서의 산소극(34)측(공기극측)의 배출가스(오프가스)로 하여도 된다. 이와 같이 연료전지(31)의 배출가스를 열회수가스로 하면, 상기와 같이 공기를 열회수가스로서 새롭게 준비할 필요가 없고, 연료전지(31)의 기존의 배출가스를 그대로 이용할 수 있다. 또, 공기를 열회수가스로서흐르게 하기 위한 블로어나 그 동력이 불필요하게 된다.
본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 실시예로서 설명한다.
(실시예 1)
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예 1에 관한 변성장치(A)를 나타내고, 이 변성장치(A)는 연료전지 시스템(도 8 참조)에 있어서, 도시가스 및 가습공기를 포함하는 원료가스로부터 개질된 개질가스를 수성가스 시프트반응시켜서 변성하기 위하여 사용된다.
도 1 및 도 2에 있어서, 1은 변성장치(A)의 바닥이 있는 원통형의 하우징(1)이고, 이 하우징(1)의 내부에는 원통형의 격벽(2)이 하우징(1) 내를 내측공간 및 외측공간으로 구획하도록 설치되고, 이 격벽(2)은 하우징(2)과 일체로 형성되어 있다. 격벽(2)에 있어서 하우징(1) 저부측(도 1에서 상측)의 단부는 부분적으로 절결되어 상기 내측 및 외측공간 끼리가 연통하여 있고, 이 연통부와 외측공간 자체가 원료가스통로(3)로 구성되어 있다. 이 원료가스통로(3)에 있어서 외측공간의 하우징(1) 개구측(도 1에서 하측)의 단부는 원료가스 입구(4)로 되고, 이 원료가스 입구(4)는 도면 밖의 원료가스관에 접속되어 있으며, 이 원료가스관에서 공급된 원료가스(도시가스 및 가습공기를 포함한다)를 원료가스 입구(4)를 거쳐 하우징(1)과 격벽(2) 사이의 원료가스통로(3)에 공급하도록 하고 있다.
상기 격벽(2) 내의 내측공간에 있어서 하우징(1) 저부측에는 상기 원료가스르 개질하여 원료가스로부터 부분산화를 포함하는 반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 개질반응부(6)가 설치되고, 이 개질반응부(6)의 하우징(1) 저부측의 입구부(6a)는 상기 하우징(1) 저부에 대응하는 원료가스통로(3)에 연통하고 있다.
상기 개질반응부(6)는 상세하게는 도시하지 않지만, 격벽(2) 내에 장전된 벌집구조를 보유하는 세라믹이나 알루미늄 등의 원기둥형 모노리스(monolith)로 이루어지고, 이 모노리스에 있어서 하우징(1)의 축심방향(도 1에서 상하방향)으로 관통하는 다수의 관통구멍이 가스통로로 되어 있다. 그리고, 모노리스에는 Pt, Rh, Ru 등의 귀금속계의 촉매가 담지되어 있고, 이 모노리스 가스통로를 통과하는 동안에원료가스가 촉매에 의해 부분산화반응하여 수소가 풍부한 개질가스로 개질된다.
또한, 상기 격벽(2) 내의 내측공간에 있어서 개질반응부(6) 주위에는 내화성의 단열재(7)가 기밀하게 충전된 상태로 배치되어 있고, 이 단열재(7)에 의해 개질반응부(6)와 원료가스통로(3) 사이의 열이동량을 제어하도록 하고 있다.
한편, 격벽(2) 내의 내측공간에서 하우징(1) 개구측(도 1에서 아래쪽)의 공간에는 개질가스중의 CO농도를 저감하고 또한 수소의 수량(收量)을 높이기 위하여, 개질가스를 변성촉매에 의해 수성가스 시프트반응시켜서 변성하는 시프트반응부(10)가 설치되어 있다. 즉, 상기 시프트반응부(10) 주위에 개질반응부(6)에 대하여 원료가스를 공급하는 원료가스통로(3)가 설치되고, 이들 시프트반응부(10) 및 원료가스통로(3)는 상기 개질반응부(6)와 함께 하우징(1) 내에 일체적으로 설치되어 있다.
상시 시프트반응부(10)는, 상기 개질반응부(6)의 출구부(6b)로부터의 개질가스를 직접 개질가스통로(11)에 도입하여 상기 원료가스와 열교환하면서 시프트반응을 행하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 시프트반응부(10)는 발포금속(발포메탈), 코디어라이트, 세라믹으로 구성된 다공질재료로 이루어지는 촉매담체(12)를 보유하고, 이 촉매담체(12)에 시프트반응을 행하게 하기 위한 변성촉매가 도포 또는 담지되어 있다. 상기 변성촉매는 내열성을 보유하는 귀금속계의 촉매로, Pt 또는 Pt, Ru의 합금을 활성금속으로서 사용한 것이다.
상기 변성촉매(12)는 하우징(1)의 저부측에서 개구측을 향하여 외경이 차츰 작아지는 원추대 형상의 것으로, 그 중심부에는 하우징(1)의 축선방향으로 관통하여 개질가스통로(11)의 일부를 구성하는 중심구멍(13)이 형성되어 있다. 이 중심구멍(13)의 개질반응부(6)와 반대측의 하류측 단부는 닫혀 있고, 개질반응부(6)의 출구부(6b)에서 시프트반응부(10)로 도입된 개질가스의 대부분이 촉매담체(12)의 중심구멍(13)으로 흐르고, 그 중심구멍(13)에서 반경방향 외측으로 향해서 촉매담체(12)를 통하여 촉매담체(12)의 외주면과 격벽(2) 사이의 공간으로 흐르는 한편, 나머지의 개질가스는 촉매담체(12)의 상류측 끝면에서 직접 촉매담체(12) 내로 들어가고, 마찬가지로 반경방향 외측으로 향해서 촉매담체(12) 외주면의 공간으로 흐르도록 되어 있고, 이들 개질가스의 흐름에 따라서 상기 개질가스통로(11)가 구성된다.
그리고, 상기와 같이 촉매담체(12)의 원추대 형상에 의해 시프트반응부(10)의 촉매담체(12) 외주면에 있어서, 개질가스의 흐름방향 하류측 부분(도 1 하측부분)의 원료가스통로(3)와의 거리가, 동 상류측 부분(도 1 상측부분)의 원료가스통로(3)와의 거리보다도 크게 설정되어 있다.
또, 상기 촉매담체(12)의 외주면은 격벽(2) 주위의 원료가스통로(3)와 대향하도록 배치되어 있고, 이것으로 시프트반응부(10)의 반응열 및 현열을 복사에 의해 원료가스통로(3)의 원료가스와 열교환시키는 열교환기(15)가 설치되어 있다(열교환시의 열의 이동을 도면에서 흰색 화살표로 나타낸다). 이 열교환기(15)는 격벽(2)의 외주면에 있어서 시프트반응부(10)에 대응하는 부분에 상기 원료가스통로(3)로 향하도록 돌출된 복수의 전열핀(16, 16, …)을 보유하고, 이들 전열핀(16, 16, …)은 원료가스통로(3)를 따라서 병렬되어 있고, 그 피치는 시프트반응부(10)에서의 개질가스의 흐름방향 상류측(도 1 상측)의 쪽이 하류측보다도 좁게 되어 있다.
또한, 상기 시프트반응부(10)에서의 하우징(1) 개구측의 단부는 개질가스출구(18)로 되고, 이 개질가스출구(18)는 도면밖의 연료전지(도 8 참조)에 접속되어 있다. 또, 도 1 및 도 2에 있어서, 19는 하우징(1)의 주위를 단열을 위하여 덮는 단열재이다.
따라서, 이 실시예에 있어서는, 변성장치(A)의 정상운전시, 원료가스관에서 공급된 원료가스(도시가스 및 가습공기를 포함한다)가 원료가스입구(4)를 거쳐 하우징(1) 내로 도입되고, 그 하우징(1)과 격벽(2) 사이의 원료가스통로(3)에 공급된다. 이 원료가스통로(3)의 원료가스는 열교환기(15)에 의해 시프트반응부(10)의 반응열 및 현열을 복사에 의해 받아서 소정온도로 예열된다. 이와 같이 하여 개질가스와의 열교환에 의해 예열된 원료가스는 원료가스통로(3)를 하우징(1) 저부측으로 흐르고, 그 사이에 개질반응부(6)의 반응열이 단열재(7) 및 격벽(2)을 거쳐 원료가스에 전달되고, 이 전열에 의해 원료가스가 더욱 가열된다.
상기 원료가스통로(3)를 통과한 원료가스는 하우징(1) 저부측의 입구부(6a)에서 개질반응부(6) 내로 유입되고, 그 벌집구조의 모노리스에서의 가스통로에서 촉매와 반응하고, 그 부분산화를 포함하는 반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스로 개질된다. 상기 개질반응부(6)에서의 반응열은, 후속하여 원료가스통로(3)를 흐르는 원료가스에 단열재(7) 및 격벽(2)을 통하여 전달된다.
상기 개질반응부(6)에서 원료가스로부터 생성된 고온도의 개질가스는, 개질반응부(6)의 출구부(6b)로부터 하우징(1) 개구측의 격벽(2) 내의 시프트반응부(10)로 도입되어 그 촉매담체(12)를 통과하고, 이 촉매담체(12)를 통과하는 동안에 촉매담체(12)상의 변성촉매에 의해 수성가스 시프트반응으로 되어서 CO가 저감되고 또한 수소수율이 높아진 개질가스로 변성된다. 그리고, 이 시프트반응부(10)를 나온 개질가스는 개질가스출구(18)를 거쳐 송출되고, 그 후에 연료전지에 공급된다.
그 때, 상기 시프트반응부(10)의 반응열 및 현열을 복사에 의해 원료가스통로(3)의 원료가스와 열교환시키도록 열교환기(15)가 설치되어 있으므로, 시프트반응부(10)에 있어서는 개질가스가 원료가스통로(3) 내의 원료가스와 열교환하여 강온되면서 변성된다. 이 때문에, 개질반응부(6)의 출구부(6b)에서 나온 고온의 개질가스가 그 높은 온도인 채로 직접 시프트반응부(10)에 도입되어 변성되게 된다. 그런 까닥에, 개질가스를 반응속도가 빠른 고온상태에서 반응속도가 느리지만 반응이 평형적으로 유리하게 되는 저온상태까지의 넓은 온도범위에서 변성할 수 있다.
또, 이렇게 하여 개질반응부(6)로부터의 개질가스를 직접 시프트반응부(10)에 도입하여 변성하기 때문에, 그 개질반응부(6)로부터의 개질가스의 온도제어는 불필요하게 되어, 변성장치(A)의 구성을 심플하게 할 수 있음과 아울러 시프트반응부(10)의 변성촉매의 양을 저감할 수 있고, 그 열용량의 감소에 의해 부하변동의 응답성이나 기동시의 특성을 양호하게 유지할 수 있다.
또한, 상기 시프트반응부(10)의 변성촉매는 Pt 또는 Pt, Ru의 합금이 활성금속으로서 사용되어 내열성을 보유하므로, 상기 고온도에서의 시프트반응을 양호하게 행할 수 있다. 게다가, 상기 변성촉매는 발포금속, 코디어라이트 또는 세라믹의어느 하나로 이루어지는 표면적이 큰 다공질재료에 도포 또는 담지되어 있기 때문에, 시프트반응부(10)에서 변성촉매와 개질가스의 접촉면적을 증대시켜서 반응속도를 빠르게 함과 아울러 열의 복사효율을 증대시킬 수 있다.
또, 상기 개질반응부(6)의 출구부(6b)에서 시프트반응부(10)로 도입된 개질가스는 촉매담체(12)의 중심측에서 외주측으로 향하여 흐른다. 즉, 그 개질가스의 대부분이 촉매담체(12)의 중심구멍(13)에서 반경방향 외측으로 향하여 촉매담체(12)를 통하여 촉매담체(12) 외주면과 격벽(2)의 사이의 공간으로 흐르고, 나머지의 개질가스는 촉매담체(12)의 상류측 끝면에서 직접 촉매담체(12) 내로 들어가서, 마찬가지로 반경방향 외측을 향해서 촉매담체(12) 외주면의 공간으로 흐른다. 이것으로, 시프트반응부(10)의 입구부에서 출구부까지의 온도를 다르게 하여 온도분포를 형성할 수 있다.
또한, 상기 시프트반응부(10)에서의 촉매담체(12)가 원추대 형상으로 형성되고, 그 외주면의 개질가스의 흐름방향 하류측 부분의 원료가스통로(3)와의 거리가 동 상류측 부분의 원료가스통로(3)와의 거리보다도 크기 때문에, 상기 시프트반응부(10)의 복사에 의한 원료가스통로(3)로의 열교환량이 시프트반응부(10)에서의 개질가스의 흐름방향 상하류측 부분에서 서로 다르게 변화하고, 시프트반응부(10)의 출구부의 온도를 대략 일정하게 유지할 수 있다.
또, 상기와 같이, 시프트반응부(10) 주위의 원료가스통로(3)의 원료가스가 열교환기(15)에 의해 시프트반응부(10)의 반응열을 전달하여 가열되므로, 시프트반응부(10)에서의 반응열을 원료가스의 예열을 위하여 회수할 수 있고, 이 자기열회수에 의해 변성장치(A)의 열효율을 향상시킬 수 있다. 게다가, 상기 열교환기(15)는 원료가스통로(3)에 면하는 전열핀(16, 16, …)을 보유하기 때문에, 시프트방응부(10)와 원료가스 사이의 열교환속도가 증대하여 전열효율을 높일 수 있다.
또, 상기 열교환기(15)의 전열핀(16, 16, …)은 원료가스통로(3)를 따라서 복수 설치되어 있고, 이들 복수의 전열핀(16, 16, …)의 피치가 개질가스의 흐름방향 상하류측에서 다르고, 그 상류측의 피치가 하류측보다도 좁기 때문에, 시프트반응부(10)와 원료가스통로(3)의 원료가스와의 사이의 열교환을 원활하게 행할 수 있다.
또한, 상기 개질반응부(6), 원료가스통로(3) 및 시프트반응부(10)가 하우징(1) 내에 일체적으로 설치되어 있기 때문에, 변성장치(A)의 구조를 심플하게 하여 비용절감을 도모할 수 있다.
(실시예 2)
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예 2를 나타내고(또한, 이하의 각 실시예에서는 도 1 및 도 2와 같은 부분에 대해서는 동일부호를 붙여서 그 상세한 설명은 생략한다), 시프트반응부(10)의 구조를 바꾼 것이다.
즉, 이 실시예에서는, 변성장치(A)의 하우징(1)은 바닥이 있는 각통형상의 것으로, 그 하우징(1)의 내부에는 한쌍의 대향하는 격벽(2, 2)이 하우징(1) 내를 하나의 내측공간 및 2개의 외측공간으로 구획하도록 설치되고, 이들 양 격벽(2, 2)은 하우징(1)과 일체로 형성되어 있다(도 4 참조). 상기 각 격벽(2)에 있어서 하우징(1) 저부측(도 3에서 상측)의 단부는 절결되어 상기 내측 및 외측공간끼기가 연통되어 있고, 이 내측 및 외측공간 사이의 연통부와 내외측 공간자체가 원료가스통로(3)로 구성되어 있다.
또, 시프트반응부(10)에는 상기 실시예 1과 같이 촉매담체(12)가 설치되어 있지 않다. 그 대신에, 시프트반응부(10)에 대응하는 부분의 양 격벽(2, 2)의 내면 사이에는 양 격벽(2, 2) 사이의 개질가스통로(11)(내부공간)로 향하도록 하우징(1)의 중심선 방향으로 뻗는 복수의 개질가스측 전열핀(21, 21, …)이 일체로 건너질러 놓여져 있다.
한편, 상기 각 격벽(2)의 외면에는 원료가스통로(3)로 향하도록 하우징(1)의 축선방향으로 연장되는 복수의 원료료가스측 전열핀(22, 22, …)이 돌출되어 있고, 이들 개질가스측 전열핀(21, 21, …)과 원료가스측 전열핀(22, 22, …)에 의해 개질가스통로(11) 내의 개질가스와 원료가스통로(3) 내의 원료가스의 사이에서 열교환시키는 열교환기(23)가 구성되어 있다.
그리고, 상기 개질가스통로(11)에 면하는 각 개질가스측 전열핀(21), 각 격벽(2) 및 하우징(1)은 금속제의 것으로, 촉매담체를 구성하고 있고, 이 각 개질가스측 전열핀(21)의 표면, 각 격벽(2)의 내면 및 하우징(1)의 내면에 시프트반응부(10)를 이루는 변성촉매가 도포 또는 담지되어 있다(이 변성촉매의 위치를 도 4에 있어서 굵은 실선으로 표시하고 있다). 그 외의 구성은 상기 실시예 1과 같다. 또한, 상기 변성촉매는 적어도 각 개질가스측 전열핀(21, 21, …)의 표면에 도포 또는 담지되어 있으면 된다.
따라서, 이 실시예의 경우, 개질반응부(6)의 출구부(6b)에서 나온 고온의 개질가스가 시프트반응부(10)의 개질가스통로(11)로 공급되면, 그 개질가스는 개질가스통로(11)를 흐르는 동안에, 개질가스통로(11)에 면하는 각 개질가스측 전열핀(21) 표면, 격벽(2) 내면 및 하우징(1) 내면의 변성촉매와 접촉하여 시프트반응한다. 그리고, 이 반응열은 개질가스측 전열핀(21, 21, …)으로부터 원료가스측 전열핀(22, 22, …)을 통하여 원료가스통로(3)의 원료가스에 전달된다. 따라서, 이 경우에도 상기 실시예 1과 같이 작용효과가 얻어진다. 또, 시프트반응부(10)에서 원료가스로의 전열효율을 높일 수 있다.
(실시예 3)
도 5는 실시예 3을 나타내고, 상기 실시예 2의 구성에 있어서, 하우징(1)이나 격벽(2) 등의 형상을 변경한 것이다. 즉, 이 실시예에서는 상기 실시예 1과 같이, 하우징(1) 및 격벽(2)은 서로 동심상으로 배치된 원통형의 것으로 되어 있다.
그리고, 열교환기(23)의 원료가스측 전열핀(22, 22, …)은 격벽(2)의 외주면에 돌출되어 있는 한편, 개질가스측 전열핀(21, 21, …)은 격벽(2) 내면에 개질가스통로(11)를 복수의 부분으로 구획하도록 돌출설치되고, 이 각 개질가스측 전열핀(21)의 표면 내지 격벽(2)의 내면에 변성촉매가 담지 또는 도포되어 있다. 따라서, 이 실시예에 있어서도 상기 실시예 2와 같은 작용효과를 이룰 수 있다.
또한, 상기 실시예 1 내지 실시예 3에서는, 원료가스통로(3), 개질반응부(6) 및 시프트반응부(10)를 하우징(1) 내에 일체적으로 설치하고 있지만, 개질반응부(6)는 별체로 하고, 원료가스통로(3) 및 시프트반응부(10)만을 하우징(1) 내에 일체적으로 설치하도록 하여도 된다.
(실시예 4)
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예 4를 나타내고, 상기 각 실시예에서는 시프트반응부(10)에 있어서 개질가스를 원료가스와 열교환시키면서 시프트반응시키도록 하고 있는 것에 대하여, 개질가스를 열회수가스와 열교환시키면서 시프트반응시키도록 한 것이다.
즉, 도 8은 실시예 4에 관한 연료전지 시스템을 나타내고, 31은 공지의 고체고분자형 연료전지로서, 이 연료전지(31)는 고체고분자로 이루어지는 전해질의 전지본체(32)를 사이에 두고 배치된 촉매전극인 애노드로서의 수소극(33)(연료극) 및 캐소드로서의 산소극(34)(공기극)을 구비하고, 상기 수소극(33)에 대하여 수소를 포함하는 개질가스를, 또 산소극(34)에 대하여 산소를 포함하는 공기를 각각 공급하여 전극반응을 행하게 하고, 양 전극(33, 34)간에 기전력을 발생시키는 것이다.
상기 연료전지(31)의 수소극(33)은 수소극 배출가스통로(36)를 통하여, 또 산소극(34)은 산소극 배출가스통로로서의 열회수가스통로(37)를 통하여 각각 배출가스용 버너(38)에 접속되어 있고, 연료전지(31)의 수소극(33)에서 배출된 수소극측 배출가스와, 산소극(34)에서 배출된 산소극측 배출가스를 각각 배출가스용 버너(38)로 보내어 연소시키도록 하고 있다.
K는 상기 도시가스와 가습공기를 포함하는 원료가스를 개질하여 수소가 풍부한 개질가스를 생성하여 상기 연료전지(31)의 수소극(33)에 공급하는 개질장치로, 이 개질장치(K)는 변성장치(A)에서의 상기 개질반응부(6) 및 시프트반응부(10)의 외에, 고온측 및 저온측의 CO선택산화반응부(40, 41)를 구비하고 있다. 상기 개질반응부(6) 및 시프트반응부(10)는 상기 각 실시예 1~3과는 달리, 별체로 설치되어 있다.
상기 개질반응부(6)와 시프트반응부(10)의 사이의 개질가스통로(11)에는 원료가스 예열기(52)가 설치되어 있고, 이 원료가스 예열기(52)에 의해, 개질반응부(6)에서 생성된 개질가스를 시프트반응부(10)에서의 CO변성을 위하여 냉각하여 그 배열을 회수함과 아울러, 그 회수한 배열에 의해 개질반응부(6)에 공급되는 원료가스통로(3) 내의 원료가스를 예열한다.
또한, 상기 시프트반응부(10)에 상기 CO 선택산화반응부(40, 41)가 각각 개질가스통로(11)를 통하여 접속되어 있다. 이 각 CO 선택산화반응부(40, 41)는 시프트반응부(10)에서 변성된 개질가스를 선택부분산화촉매에 의해 수소분위치하에서 반응시켜, 개질가스중의 일산화탄소를 제거하여 그 CO농도를 더욱 저감하는 것이다. 그리고, 저온측의 CO 선택산화반응부(41)가 개질가스통로(11)를 통하여 상기 연료전지(31)의 소수극(33)에 접속되어 있다.
연료전지 시스템에는 냉각수 공급시스템이 부설되고, 이 냉각수 공급시스템은 온수를 저류하는 저탕탱크(43)를 구비하고 있다. 이 저탕탱크(43)의 공급부에는 냉각수통로(44)의 상류단이 접속되고, 이 냉각수통로(44)의 하류단은 동일 저탕탱크(43)의 회수부에 접속되어 있다. 또, 냉각수통로(44)의 상류단에는 순환펌프(45)가 설치되어 있고, 이 순환펌프(45)에 의해 물을 저탕탱크(43)와 냉각수통로(44)의 사이에서 순환시키도록 하고 있다.
상기 순환펌프(43) 하류측의 냉각수통로(44)에는 순환펌프(45)에서 토출된물에 의해 연료전지(31)를 냉각하여 그 배열을 회수하는 열교환기로 이루어지는 전지냉각부(46)와, 상기 배출가스용 버너(38)로부터 배출된 연료가스를 냉각하여 그 배열을 회수하는 열교환기로 이루어지는 버너열 회수부(47)가 각각 상류측부터 차례로 직렬로 접속되어 있다.
49는 공기를 토출하는 블로어로, 이 블로어(49)에는 공기공급통로(50)의 상류단이 접속되고, 이 공기공급통로(50)의 하류단은 연료전지(31)의 산소극(34)에 접속되어 있고, 블로어(49)로부터의 공기(산소)를 공기공급통로(50)를 통하여 연료전지(31)의 산소극(34)에 공급하도록 하고 있다.
상기 연료전지(31)의 산소극(34)과 배출가스용 버너(38)의 사이의 열회수가스통로(37)의 도중에는, 저온측의 CO 선택산화반응부(41)로부터 연료전지(31)에 이르는 개질가스를 냉각하여 그 배열을 회수하는 열교환기(51)와, 고온측의 CO 선택산화반응부(40)에서 저온측의 CO 선택산화반응부(41)에 이르는 개질가스를 냉각하여 그 배열을 회수하는 열교환기(52)와, 시프트반응부(10)에서 생성된 개질가스를 냉각하여 그 배열을 회수하는 열교환기(53)가 병렬로 분기되어 접속되어 있다.
또한, 상기 3개의 열교환기(51~53) 하류측의 열회수가스통로(37)에는 시프트반응부(10)에 설치되어 있고 그 시프트반응부(10)에 있어서 개질반응부(6)로부터의 개질가스를 냉각하여 그 배열을 회수하는 열교환기(26)가 직렬로 접속되어 있다. 이것으로, 시프트반응부(10)는 개질반응부(6)에서의 개질가스를 상기 열교환기(26)에서 열회수가스와 열교환하면서 시프트반응을 행하도록 하고 있다.
도 6 및 도 7에 확대하여 나타낸 바와 같이, 변성장치(A)에서의 시프트반응부(10)의 하우징(1)은 각통형상의 것으로, 그 하우징(1)의 내부는 1쌍의 마주보는 격벽(2, 2)에 의해 하나의 내측공간과 2개의 외측공간으로 구획되어 있고, 내측공간이 개질가스통로(11)로, 또 양 외측공간이 열회수가스통로(37)로 각각 구성되어 있다. 따라서, 상기 열회수가스통로(37)는 개질가스통로(11) 내의 후술하는 촉매담체(12)의 주위에 부분적으로 설치되어 있다.
상기 하우징(1)의 내면과 양 격벽(2, 2)의 내면으로 둘러싸인 내부공간(개질가스통로(11))에는 발포금속(발포메탈), 코디어라이트 또는 세라믹으로 구성된 다공질재료로 이루어지는 촉매담체(12)가 개질가스통로(11)에 면하도록 배치되고, 이 촉매담체(12)에 시프트반응을 행하기 하기 위한 내열성을 보유하는 귀금속계의 변성촉매가 도포 또는 담지되어 있다. 상기 변성촉매는 구체적으로는 Pt 또는 Pt, Ru의 합금을 활성금속으로서 사용한 것이다.
한편, 상기 각 격벽(2)의 외면에는 열회수가스통로(37)에 면하고 또한 그 내부의 열회수가스의 흐름방향으로 뻗는 복수의 전열핀(16, 16, …)이 돌출되어 있고, 이들 전열핀(16, 16, …) 및 격벽(2, 2)에 의해 개질가스통로(11) 내의 개질가스와 열회수가스통로(37) 내의 열회수가스(연료전지(31)의 산소극(34)측의 배출가스)와의 사이에서 열교환시키는 상기 열교환기(26)가 구성되어 있다.
따라서, 이 실시예에 있어서는, 개질반응부(6)에서 나온 고온의 개질가스가 시프트반응부(10)의 개질가스통로(11)에 공급되면, 그 개질가스는 개질가스통로(11)를 흐르는 동안에, 촉매담체(12)에 도포 또는 담지되어 있는 변성촉매와 접촉하여 시프트반응한다. 그리고, 이 반응열은 열교환기(26)의 전열핀(16,16, …) 및 격벽(2, 2)을 통하여 열회수가스통로(37) 내의 열회수가스(연료전지(31)의 산소극(34)측의 배출가스)에 전달된다.
이와 같이, 개질반응부(6)에서의 고온의 개질가스가 시프트반응부(10)에 있어서, 연료전지(31)의 산소극(34)측의 배출가스로 이루어지는 열회수가스와 열교환되면서 수성가스 시프트반응에 의해 변성되므로, 개질반응부(6)에서 나온 개질가스가 높은 온도인 채로 변성되고, 그 개질가스를 반응속도가 빠른 온도상태에서 반응속도는 느리지만 반응이 평형적으로 유리하게 되는 저온상태까지의 넓은 온도범위에서 변성할 수 있다. 즉, 개질반응부(6)에서의 고온의 개질가스와 열회수가스의 열교환에 의해, 시프트반응부(10)에 있어서 개질가스의 입구측에서는 온도가 높아져서 반응속도가 증대하는 한편, 출구측에서는 온도가 낮아져서 반응속도가 저하하여, 열평형적으로 CO농도를 저감할 수 있다.
게다가, 개질가스의 온도를 제어하는 것이 불필요하게 되어, 변성장치(A)의 구성을 심플하게 할 수 있다.
또, 시프트반응부(10)의 변성촉매의 충전량을 저감할 수 있고, 그 열용량을 감소시켜서 부하변동의 응답성이나 기동시의 특성을 양호하게 유지할 수 있다.
또, 상기 실시예 1과 같이, 시프트반응부(10)의 변성촉매가 내열성을 보유하는 귀금속계의 촉매이므로 넓은 온도영역에서 높은 활성을 유지할 수 있다.
그리고, 시프트반응부(10)의 변성촉매는, Pt 또는 Pt, Ru의 합금을 활성금속으로서 사용한 것이므로, 고온에서 활성이 높아지고, 메탄화반응이 발생하기 어렵게 된다.
또한, 상기 시프트반응부(10)의 변성촉매는 다공질재료로 이루어지는 촉매담체(12)에 도포 또는 담지되어 있기 때문에, 시프트반응부(10)에서 변성촉매와 개질가스와의 접촉면적을 증대시켜서 반응속도를 빠르게 함과 아울러, 열의 복사효율을 증대시킬 수 있다.
또, 상기 다공질재료는 발포금속, 코디어라이트 또는 세라믹의 어느 하나이기 때문에, 특히 개질가스와의 접촉면적의 증대를 확보할 수 있는 다공질재료가 용이하게 얻어진다.
그리고, 상기 열회수가스통로(37)가 부분적이기는 하지만 촉매담체(12)의 주위에 설치되어 있으므로, 촉매담체(12)가 열회수가스통로(37)에 의해 둘러싸여서 열효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이 열회수가스통로(37)는 개질가스통로(11)의 촉매담체(12) 주위 전체를 둘러싸도록 설치하여도 된다.
그리고 또, 상기 열회수가스는 연료전지(31)에서의 산소극(34)측의 배출가스이므로, 공기를 열회수가스로서 사용하는 경우와 같이, 그 공기를 새롭게 준비할 필요가 없고, 연료전지(31)의 기존의 배출가스를 그대로 이용할 수 있음과 아울러 공기를 열회수가스로서 흐르게 하기 위한 블로어나 그 동력도 불필요하게 된다.
또한, 상기와 같이 열회수가스로서 공기를 사용하는 것도 가능하고, 그 경우, 공기를 열회수가스로 함으로써 고온의 열회수에 있어서 부분부하시에도 안정된 열교환을 행할 수 있어, 이용하기 쉬운 열회수가스가 용이하게 얻어지는 이점이 있다.
(실시예 5)
도 9 및 도 10은 실시예 5를 나타내고, 상기 실시예 4에서의 시프트반응부(10)의 구조를 바꾼 것이다.
즉, 이 실시예에서는 상기 실시예 2와 같이, 변성장치(A)의 시프트반응부(10)에서의 하우징(1) 내의 양 격벽(2, 2) 내면 사이에, 양 격벽(2, 2)간의 개질가스통로(11)(내부공간)에 면하고 또한 그 내부의 개질가스의 흐름방향으로 뻗는 복수의 개질가스측 전열핀(21, 21, …)이 일체로 가로질러 놓여져 있다. 한편, 각 격벽(2)의 외면에는 열회수가스통로(37)에 면하도록 하우징(1)의 축선방향으로 뻗은 복수의 열회수가스측 전열핀(25, 25, …)이 돌출설치되어 있고, 이들 개질가스측 전열핀(21, 21, …)과 열회수가스측 전열핀(25, 25, …)에 의해 개질가스통로(11) 내의 개질가스와 열회수가스통로(37) 내의 열회수가스 사이에서 열교환시키는 열교환기(26)가 구성되어 있다.
그리고, 상기 개질가스통로(11)에 면하는, 각 개질가스측 전열핀(21)의 표면, 각 격벽(2)의 내면 및 하우징(1)의 내면(이들은 금속제로 촉매담체를 구성하고 있다)에 시프트반응부(10)를 이루는 변성촉매(그 위치를 도 10에 굵은 실선으로 나타낸다)가 도포 또는 담지되어 있다. 그 외의 구성은 상기 실시예 4와 같다.
이 실시예에서는 개질반응부(6)에서의 온도의 개질가스가 시프트반응부(10)의 개질가스통로(11)에 공급되면, 그 개질가스는 개질가스통로(11)를 흐르는 동안에, 개질가스통로(11)에 면하는 각 개질가스측 전열핀(21) 표면, 격벽(2)의 내면 및 하우징(1) 내면의 변성촉매와 접촉하여 시프트반응한다. 그리고, 이 반응열은 개질가스측 전열핀(21, 21, …)에서 열회수가스측 전열핀(25, 25, …)을 통하여 열회수가스통로(37)의 열회수가스에 전달된다. 따라서, 이 경우에도 상기 실시예 4와 같이 작용효과가 얻어진다.
또, 상기 변성촉매는 금속제의 촉매담체를 이루는 각 개질가스측 전열핀(21)의 표면, 각 격벽(2)의 내면 및 하우징(1)에 도포 또는 담지되어 있으므로, 시프트반응부(10)에서 개질가스로부터 열회수가스로의 전열효율을 높일 수 있고, 개질가스통로(11)에 면하는 변성촉매를 열회수가스와의 열교환에 의해 냉각하는데 바람직한 촉매담체가 얻어진다.
(실시예 6)
도 11은 실시예 6을 나타내고, 상기 실시예 5의 구성에 있어서, 하우징(1)이나 격벽(2) 등의 형상을 원형으로 변경한 것이다.
즉, 이 실시예에서는 상기 실시예 3과 같이, 하우징(1) 및 격벽(2)은 서로 동심상으로 배치된 원통형의 것으로 되어 있다. 또, 열교환기(26)의 열회수측 전열핀(25, 25, …)은 격벽(2)의 외주면에 돌출되어 있는 한편, 개질가스측 전열핀(21, 21, …)은 격벽(2)의 내면에 개질가스통로(11)를 복수의 부분으로 구획하도록 돌출되고, 이 각 개질가스측 전열핀(21)의 표면 내지 격벽(2)의 내면(모두 금속제의 촉매담체)에 변성촉매가 담지 또는 도포되어 있다. 따라서, 이 실시예에 있어서도 상시 실시예 5와 같은 작용효과를 이룰 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 각 실시예와 같이 연료전지 시스템 이외에 사용되는 개질장치에도 적용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
본 발명은 개질반응부에서 나온 개질가스를 반응속도가 빠른 고온상태에서 반응이 평형적으로 유리하게 되는 저온상태까지의 넓은 온도범위에서 변성하고, 변성온도범위의 확대를 도모함과 아울러, 개질가스의 온도제어를 불필요하게 하여 변성장치의 구성의 간략화를 도모할 수 있고, 또한 시프트반응부의 변성촉매의 충전량의 저감을 도모할 수 있어, 연료전지나 수소엔진 등의 실용성을 향상시킬 수 있는 점에서 산업상의 이용가능성은 높다.

Claims (23)

  1. 개질반응부(6)에서 원료가스로부터 부분산화를 포함하는 반응에 의해 생성된 수소가 풍부한 개질가스를, 변성촉매에 의해 수성가스 시프트반응시켜서 변성하는 시프트반응부(10)를 보유하는 변성장치로서,
    상기 시프트반응부(10)는 상기 개질반응부(6)로부터의 개질가스를 직접 개질가스통로(11)에 도입하여 상기 원료가스와 열교환하면서 시프트반응을 행하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 변성장치.
  2. 제1항에 있어서, 시프트반응부(10)의 변성촉매는 내열성을 보유하는 귀금속계의 촉매인 것을 특징으로 하는 변성장치.
  3. 제2항에 있어서, 시프트반응부(10)의 변성촉매는 Pt 또는 Pt, Ru의 합금을 활성금속으로서 사용한 것임을 특징으로 하는 변성장치.
  4. 제2항에 있어서, 시프트반응부(10)의 변성촉매는 다공질재료에 도포 또는 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 변성장치.
  5. 제4항에 있어서, 다공질재료는 발포금속, 코디어라이트 또는 세라믹중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 변성장치.
  6. 제1항에 있어서, 개질반응부(6)에 대하여 원료가스를 공급하는 원료가스통로(3)가 시프트반응부(10)의 주위에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 변성장치.
  7. 제6항에 있어서, 시프트반응부(10) 및 원료가스통로(3)는 하우징(1) 내에 일체적으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 변성장치.
  8. 제6항에 있어서, 시프트반응부(10)의 반응열 및 현열을 복사에 의해 원료가스통로(3)의 원료가스와 열교환시키는 열교환기(15)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 변성장치.
  9. 제8항에 있어서, 시프트반응부(10)의 개질가스통로(11)는, 개질가스가 시프트반응부(10)의 중심측에서 외주측으로 향해서 흐르는 것으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 변성장치.
  10. 제9항에 있어서, 시프트반응부(10)에서의 개질가스의 흐름방향 하류측 부분의 원료가스통로(3)와의 거리가 상류측 부분의 원료가스통로(3)와의 거리보다도 큰 것을 특징으로 하는 변성장치.
  11. 제8항에 있어서, 열교환기(15)는 원료가스통로(3)에 면하는 전열핀(16)을 보유하는 것을 특징으로 하는 변성장치.
  12. 제11항에 있어서, 전열핀(16)은 원료가스통로(3)를 따라서 복수로 설치되어 있고,
    상기 복수의 전열핀(16)의 시프트반응부(10)에서의 개질가스의 흐름방향 상류측의 피치가 하류측보다도 좁은 것을 특징으로 하는 변성장치.
  13. 제7항에 있어서, 개질가스통로(11)에 면하는 개질가스측 전열핀(21)과, 원료가스통로(3)에 면하는 원료가스측 전열핀(22)을 보유하고 있고, 시프트반응부(10)의 반응열 및 현열을 원료가스통로(3)의 원료가스와 열교환시키는 열교환기(23)가 설치되고,
    시프트반응부(10)의 변성촉매가 적어도 상기 개질가스측 전열핀(21)에 도포 또는 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 변성장치.
  14. 제7항에 있어서, 개질반응부(6), 원료가스통로(3) 및 시프트반응부(10)는 하우징(1) 내에 일체적으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 변성장치.
  15. 개질반응부(6)에서 원료가스로부터 부분산화를 포함하는 반응에 의해 생성된 수소가 풍부한 개질가스를, 변성촉매에 의해 수성가스 시프트반응시켜서 변성하는시프트반응부(10)를 보유하는 변성장치로서,
    상기 시프트반응부(10)는 상기 개질반응부(6)로부터의 개질가스를 열회수가스와 열교환하면서 시프트반응을 행하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 변성장치.
  16. 제15항에 있어서, 시프트반응부(10)의 변성촉매는 내열성을 보유하는 귀금속계의 촉매인 것을 특징으로 하는 변성장치.
  17. 제16항에 있어서, 시프트반응부(10)의 변성촉매는 Pt 또는 Pt, Ru의 합금을 활성금속으로서 사용한 것임을 특징으로 하는 변성장치.
  18. 제16항에 있어서, 시프트반응부(10)의 변성촉매는 다공질재료에 도포 또는 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 변성장치.
  19. 제18항에 있어서, 다공질재료는 발포금속, 코디어라이트 또는 세라믹중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 변성장치.
  20. 제16항에 있어서, 시프트반응부(10)의 변성촉매는 금속으로 이루어지는 촉매담체에 도포 또는 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 변성장치.
  21. 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 열회수가스가 흐르는 열회수가스통로(37)가 촉매담체의 주위에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 변성장치.
  22. 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 열회수가스는 공기인 것을 특징으로 하는 변성장치.
  23. 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 열회수가스는 연료전지(31)에서의 산소극(34)측의 배출가스인 것을 특징으로 하는 변성장치.
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