KR20030045965A

KR20030045965A - 연료전지용 연료개질기

Info

Publication number: KR20030045965A
Application number: KR1020010075896A
Authority: KR
Inventors: 안성진; 황태연; 황정태; 김건택
Original assignee: (주)세티
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2003-06-12
Also published as: KR100429602B1

Abstract

본 발명에 따른 연료전지용 연료개질기는 원통형의 연료개질기로서, 그 중앙 내부의 저부에 연료를 연소시키기 위한 버너(101)가 설치되고 연료가 연소되는 내부버너튜브(21), 상기 내부버너튜브의 외부에 위치하여 연료가 연소되고 그 상부에는 배기가스가 배출되는 버너 배기가스출구(111)가 형성되는 외부버너튜브(22), 상기 외부버너튜브의 외부에 위치하여 상부의 반응연료 및 스팀입구(112)로부터 유입된 반응연료 및 스팀을 반응시키기 위한 촉매층(105)을 갖는 반응기튜브(23), 및 상기 반응기튜브 외부에 위치하여 반응기에서 생성된 기체가 반응연료 출구(113)로 배출되게 하기 위한 통로 및 열 손실 방지역할을 하는 축열튜브(24)로 이루어진다. 상기 내부버너튜브벽(21a)과 외부버너튜브벽(22a) 사이, 외부버너튜브벽과 반응기튜브벽(23a) 사이, 그리고 반응기튜브벽과 축열튜브벽(24a) 사이에는 개구부가 많은 열교환판(103,104,106)을 설치하여 높은 열효율을 나타내도록 할 수 있다.

Description

연료전지용 연료개질기{Fuel Reformer for Fuel Cell}

발명의 분야

본 발명은 연료전지용 연료개질기에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 적은 양의 버너연료를 사용하여 열효율을 높일 수 있는 구조를 갖는 신규의 연료전지용 연료개질기에 관한 것이다.

발명의 배경

연료전지에 사용되고 있는 연료개질기는 버너의 열을 이용하여 반응기에서 연료를 개질시켜 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등과 같은 생성물 가스를 얻고, 이 생성물 가스는 시프트 컨버터(shift converter) 등을 통과하면서 연료전지스택(stack)에서 필요한 수소가스를 얻게 된다. 종래의 연료개질기에 사용되던 버너튜브는 주로 반응기 외부에서 열을 공급한 후 다시 외부로 빠져나가도록 설계되어 있다. 따라서 종래의 버너튜브로는 열을 충분히 공급하지 못하고 바이-패스(by-pass)하는 열 매체가 많게 되어, 결과적으로 연료의 소모량을 증가시켜 왔다.

제1도에 도시된 연료개질기는 종래의 연료전지용 연료개질기를 대표한다. 촉매층(3)을 갖는 반응기(2)가 개질기 내부에 위치하고, 버너(1)의 열공급 영역이 반응기(2) 외부에 위치되기 때문에 열손실이 크도록 설계되어 있다. 버너(1) 내부로 공기입구(11)를 통하여 공기가 유입되고, 버너연료입구(12)를 통하여 버너연료가 유입된다. 버너(1)에서 연료가 연소되어 반응기(2)를 가열시킨 후 버너 배기가스출구(13)를 통하여 배기가스가 배출된다. 반응기(2)에서는 반응연료가 반응연료입구(15)를 통하여 내부로 주입되고 촉매층(3)에서 개질반응 후 반응연료출구(14)를 통하여 배출된다. 반응연료출구(14)로 배출된 생성가스는 시프트 컨버터(도시되지 않음)로 유입되어 일산화탄소가 스팀과 함께 반응하여 이산화탄소와 연료전지스택에 필요한 수소가스를 발생시킨다. 반응기(2) 내부의 온도는 약 800 ℃∼ 900 ℃에 달하기 때문에, 버너(1)에 의하여 그 온도가 유지되도록 계속 가열하여야 한다. 촉매층은 반응기 상단과 하단의 스크린으로 고정되어 있으며 그 내용물이 귀금속 촉매와 이를 담지하고 있는 담체 또는 지지체로 이루어져 있는 것으로, 반응연료의 개질반응을 촉진시킨다.

본 발명자들은 상기와 같은 종래의 연료개질기에 대하여 연구한 결과, 적은 양의 버너원료를 사용하여도 열효율이 높은 새로운 구조를 갖는 본 발명의 연료개질기를 개발하기에 이른 것이다.

본 발명의 목적은 적은 양의 버너연료를 사용하여도 열효율이 높은 연료전지용 연료개질기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 원통형의 연료개질기로서, 그 중앙 내부에 연료가 연소되는 버너튜브가 형성되고, 그 외부쪽에 촉매층을 갖는 반응기튜브가 형성되며, 반응기튜브의 외부쪽에 축열튜브(리제너레이터 튜브)가 형성되는 구조를 갖는 연료전지용 연료개질기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 원통형의 연료개질기로서 버너튜브, 반응기튜브 및 축열튜브로 이루어지고, 상기 버너튜브는 내부버너튜브와 외부버너튜브로 이루어지고, 상기 외부버너튜브, 반응기튜브 및 축열튜브의 내부에 개구부가 많은 열교환판을 설치하여 높은 열효율을 갖는 연료전지용 연료개질기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

제1도는 종래의 연료전지용 연료개질기의 구성과 원리를 개략적으로 도시한 도면이다.

제2도는 본 발명에 따른 연료전지용 연료개질기의 구성과 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부호에 대한 간단한 설명 *

1: 버너2: 반응기

3: 촉매층11: 공기입구

12: 버너연료입구13: 버너 배기가스출구

14: 반응연료출구15: 반응연료입구

21: 내부버너튜브21a: 내부버너튜브벽

22: 외부버너튜브22a: 외부버너튜브벽

23: 반응기튜브23a: 반응기튜브벽

24: 축열튜브(리제너레이터 튜브) 24a: 축열튜브벽

100: 버너연료 및 공기입구101: 버너(점화장치포함)

102: 개구103, 104, 106: 열교환판

105: 촉매층107: 개구

111: 버너 배기가스출구112: 반응연료 및 스팀입구

113: 반응연료출구

200: 콜드섹션(cold section)300: 핫섹션(hot section)

발명의 요약

본 발명에 따른 연료전지용 연료개질기는 원통형의 연료개질기로서, 그 중앙 내부의 저부에 연료를 연소시키기 위한 버너(101)가 설치되고 연료가 연소되는 내부버너튜브(21), 상기 내부버너튜브의 외부에 위치하여 연료가 연소되고 그 상부에는 배기가스가 배출되는 버너 배기가스출구(111)가 형성되는 외부버너튜브(22), 상기 외부버너튜브의 외부에 위치하여 상부의 반응연료 및 스팀입구(112)로부터 유입된 반응연료 및 스팀을 반응시키기 위한 촉매층(105)을 갖는 반응기튜브(23), 및 상기 반응기튜브 외부에 위치하여 반응기에서 생성된 기체가 반응연료출구(113)로 배출되게 하기 위한 통로 및 열 손실 억제역할을 하는 축열튜브(24)로 이루어진다.

본 발명의 연료개질기는 버너(101)에 의하여 고온으로 가열되는 핫섹션(hot section: 300)과, 그 핫섹션 위의 높은 온도로 가열되지 않는 콜드섹션(cold section: 200)으로 구분할 수 있는데, 핫섹션 내에 촉매층(105)이 위치하여야 한다. 이는 촉매층이 가열되어야 반응연료를 개질시킬 수 있기 때문이다.

상기 내부버너튜브벽(21a)과 외부버너튜브벽(22a) 사이, 외부버너튜브벽과 반응기튜브벽(23a) 사이, 그리고 반응기튜브벽과 축열튜브벽(24a) 사이에는 개구부가 많은 열교환판(103,104,106)을 설치하여 높은 열효율을 나타내도록 할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.

발명의 구체예에 대한 상세한 설명

본 발명에 따른 연료전지용 연료개질기의 구성 및 원리는 제2도에 잘 나타나 있다.

제2도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료개질기는 원통형의 모양으로, 제2도는 그 중앙 단면도이다. 연료개질기의 중앙내부의 하단에는 점화장치를 포함하는 버너(101)가 구비되어 있다. 버너의 하부 쪽에서 버너연료와 공기가 입구(100)를 통하여 버너(101)로 유입된다. 제2도에는 버너연료와 공기가 입구(100)를 통하여 함께 유입되는 것으로 도시되어 있지만, 실제로는 버너연료와 공기가 분리되어 유입될 수도 있다.

버너튜브는 내부버너튜브(21)와 외부버너튜브(22)로 구분된다. 내부버너튜브(21)와 외부버너튜브(22)는 버너(101)의 바로 위 부분에 서로 관통할 수 있도록 개구(102)가 형성된다. 내부버너튜브벽(21a)과 외부버너튜브벽(22a) 사이에 개구부가 많은 열교환판(103)을 설치하여 높은 열효율을 나타내도록 할 수 있다. 외부버너튜브(22)의 상부 어느 한 위치에 버너 배기가스출구(111)가 설치되어 버너로부터 연소된 가스가 외부로 배출된다. 버너(101)로 유입되는 연료는 기체상으로 버너에서 공기와 혼합되어 연소된다. 내부버너튜브(21)에는 연료의 연소를 촉진하기 위하여 버너촉매를 충진시킬 수도 있다. 내부버너튜브 및 외부버너튜브에서 연료연소에 의한 발생한 열은 인접하고 있는 반응기튜브(23) 내의 촉매층(105)을 가열시킨다.

반응기튜브(23)는 그 중간 부위의 핫섹션(300) 내에 촉매층(105)이 형성된다. 반응기튜브(23)의 상부에는 반응연료와 스팀이 입구(112)를 통하여 반응기튜브 내부로 유입된다. 반응연료도 기체상으로 유입된다. 유입된 반응연료와 스팀은 반응기튜브의 상부에서 이동하면서 어느 정도 예열되고, 다시 촉매층(105)을 통과하면서 개질된다. 촉매층은 백금과 같은 귀금속으로 이루어져 있으며 담체에 담지 되어 있는 형상의 촉매로 이루어진다.

촉매층(105)에서 개질되어 생성된 가스는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 미반응 가스등이 그 주성분을 이루며, 이를 생성가스는 개구(107)를 통하여 축열튜브(24)로 이동한다. 외부버너튜브(22)와 반응기 튜브(23)는 서로 열전달만 이루어지며, 가스가 통과하지는 못한다. 촉매층(105)이 위치하는 부분에는 열교환판이 설치되지 않고, 촉매층의 상부 및 하부의 외부버너튜브벽(22a)과 반응기튜브벽(23a) 사이에 개구부가 많은 열교환판(104)이 설치된다.

개구(107)를 통하여 반응기튜브(23)에서 축열튜브(24: 리제너레이터 튜브라고도 한다)로 이동된 생성가스는 상부로 이동하여 반응연료출구(113)를 통하여 시프트 컨버터(도시되지 않음)로 이송된다. 시프트 컨버터에서는 스팀과 함께 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키고, 연료전지스택에 필요한 수소를 생성시키게 된다. 반응기튜브벽(23a)과 축열튜브벽(24a) 사이에도 개구부가 많은 열교환판(106)이 설치된다.

본 발명의 연료개질기는 원통형이기 때문에, 외부버너튜브(22)가 내부버너튜브(21)를 감싸고, 반응기튜브(23)가 외부버너튜브(22)를 감싸고, 축열튜브(24)가 반응기튜브(23)를 감싸는 구조를 이룬다.

본 발명의 연료개질기는 핫섹션(300)과 콜드섹션(200)으로 구분되는데, 핫섹션은 버너(101)에 의하여 고온으로 가열되고, 그 내부에 촉매층(105)이 위치하는 부분이고, 콜드섹션은 핫섹션의 상부에 있는 부분으로 핫섹션에 비하여 상대적으로온도가 낮은 부분이다.

본 발명은, 외부의 버너가 반응기를 가열하는 방식의 종래의 연료개질기의 구조와는 달리, 버너가 중앙내부에 위치하여 외부쪽에 위치하는 반응기를 가열시키기 때문에 적은 양의 연료를 사용하여 연료개질기를 가동할 수 있는 장점을 가지며, 특히 개구부가 많은 열교환판을 버너, 반응기, 제너레이터 사이에 설치하여 열효율을 높일 수 있는 장점을 갖는다.

본 발명은 적은 양의 버너연료를 사용하여도 열효율이 높고, 그 중앙 내부에 연료가 연소되는 버너튜브가 형성되고, 그 외부쪽에 촉매층을 갖는 반응기튜브가 형성되며, 반응기튜브의 외부쪽에 축열튜브(리제너레이터 튜브)가 형성되는 구조를 갖는 원통형의 연료개질기로서 상기 버너튜브는 내부버너튜브와 외부버너튜브로 이루어지고, 상기 외부버너튜브, 반응기튜브 및 축열튜브의 내부에 개구부가 많은 열교환판을 설치하여 높은 열효율을 갖는 연료전지용 연료개질기를 제공하는 발명의 효과를 갖는다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

원통형의 연료전지용 연료개질기에 있어서, 그 중앙 내부의 저부에 연료를 연소시키기 위한 버너(101)가 설치되고 연료가 연소되는 내부버너튜브(21);

상기 내부버너튜브의 외부에 위치하여 연료가 연소되고 그 상부에는 배기가스가 배출되는 버너배기가스출구(111)가 형성되는 외부버너튜브(22);

상기 외부버너튜브의 외부에 위치하여 상부의 반응연료 및 스팀입구(112)로부터 유입된 반응연료 및 스팀을 반응시키기 위한 촉매층(105)을 갖는 반응기튜브(23); 및

상기 반응기튜브 외부에 위치하여 반응기에서 생성된 기체가 반응연료출구(113)로 배출되게 하기 위한 통로 및 열손실 억제역할을 하는 축열튜브(24);

로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료개질기.
제1항에 있어서, 상기 연료개질기는 버너(101)에 의하여 고온으로 가열되는 핫섹션(hot section: 300)과, 그 핫섹션 위의 높은 온도로 가열되지 않는 콜드섹션(cold section: 200)으로 구분되며, 핫섹션 내에 촉매층(105)이 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료개질기.
제1항에 있어서, 상기 내부버너튜브벽(21a)과 외부버너튜브벽(22a) 사이, 외부버너튜브벽(22a)과 반응기튜브벽(23a) 사이, 그리고 반응기튜브벽(23a)과 축열튜브벽(24a) 사이에 개구부가 많은 열교환판(103,104,106)이 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료개질기.
제1항에 있어서, 상기 내부버너튜브(21)와 외부버너튜브(22)는 버너(101)의 바로 위 부분에 서로 관통할 수 있도록 개구(102)가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료개질기.
제1항에 있어서, 상기 내부버너튜브(21)에는 연료의 연소를 촉진하기 위하여 버너촉매가 충진되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료개질기.
제1항에 있어서, 상기 촉매층(105)에서 분해되어 생성된 가스가 상기 축열튜브(24)로 이동하도록 개구(107)가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료개질기.