KR20040005065A - 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지용 일산화탄소 제거장치의 구성을 간단화하고 일산화탄소 제거 성능을 향상함과 동시에 불필요한 수소와의 반응을 억제하기 위한 열교환기에 촉매를 담지하여 촉매층의 온도를 가장 높은 활성을 유지할 수 있는 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거 장치에 관한 것이다. 본 발명은 촉매에 통하여 일산화탄소가 소량 포함된 수소 리치(Rich)한 개질 가스 중에서 일산화탄소를 선택적으로 산화시키는 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거장치에 있어서, 개질 가스가 통과되도록 안내하며, 유입되는 개질 가스를 상기 촉매를 통하여 반응시키는 촉매 반응부들과; 상기 촉매 반응부들 주변으로 개질 가스와 분리되어 흐르는 냉각 매체를 통해 상기 촉매 반응부들의 발생열을 냉각시키는 냉각부를 포함하여 구성한다.

Description

연료 전지용 등온 일산화탄소 제거 장치{CO GAS REMOVAL DEVICE OF FUEL CELL}

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로서, 특히 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거 장치에 관한 것이다.

통상적으로, 고체 전해질형의 연료 전지 시스템은, 양극판과 음극판 사이에 고체 고분자 전해질막을 겹쳐 만든 셀을 적층시켜 만든 스택으로 구성된 연료 전지 본체에 연료 개질 장치로 생성된 수소 리치(Rich)한 개질 가스와 공기를 공급하는 것에 의하여 전기 화학 반응을 일으키는 발전 시스템이고 근래 차량의 구동형 전원에 사용되고 있다.

연료 개질 장치는 탄화수소와 물과의 촉매 반응으로 목적 생성물인 수소를생산하는 개질기를 구비한다.

개질기에서는 불가피하게 일어나는 탄화수소의 분해 반응에 의해 수소 이외의 미량의 일산화탄소(CO)가 생성된다.

일산화탄소는 연료 전지 본체의 촉매 피독을 초래하고 발전 효율을 저하시킴과 동시에 전지 수명을 단축한다.

이 때문에 연료 개질 장치는 연료 전지 본체에 공급된 개질 가스로부터 일산화탄소를 미리 제거하는 목적으로 개질기보다 하류측에 일산화탄소 제거기를 구비하고 있다.

일산화탄소 제거기는 개질기로부터 생성된 수소 리치한 개질 가스를 선택 산화 촉매가 장착된 반응기에 통과시키는 것에 의하여 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 선택적 산화하고 제거한다.

개질기로부터 생산되는 수소 리치(rich) 가스는 대부분이 수소로 구성되어 있으므로 일산화탄소 제거기에는 수소의 손실을 줄이며 일산화탄소의 이산화탄소로의 산화 반응을 촉진하는 알루미나 담지 백금과 같은 촉매가 사용된다.

이러한 촉매에는 일반적으로 상대적으로 높은 온도에서 반응이 진행될 때 일산화탄소 대신 수소가 주로 반응하고 일산화탄소가 일정 농도 이하로 감소될 수 없는 한계값이 존재한다.

또한, 일정 온도 이하에서 높은 농도의 일산화탄소에 촉매가 노출되는 경우 촉매가 피독되는 경향이 있다.

이러한 문제를 극복하고 최종 일산화탄소의 농도를 연료 전지 스택이 요구하는 수준으로 저감하기 위해서는 반응기의 온도를 적정 온도에서 유지하여야 한다.

일산화탄소 산화 반응과 소량 일어나는 수소의 산화 반응은 발열 반응으로 각 촉매층은 필연적인 온도의 상승을 초래하므로 발생한 열을 제거하여 개질 가스를 냉각하여야 한다.

반응기의 온도 제어를 위한 방법은 반응 가스와 분리되어 흐르는 냉각 매체를 통해 열을 제거하는 수단을 사용한다.

반응기는 단열 반응기와 등온 반응기로 구별할 수 있다.

일반적으로 일산화탄소 산화 반응과 같은 발열 반응이 이루어지는 단열 반응기에서는 반응이 진행되는 촉매층이 외부와 열전달이 이루어지지 않아 가스의 온도가 상승하게 되므로 반응 가스의 온도를 제어하여 반응기의 과열을 방지하기 위해서는 촉매층과 분리된 별도의 열교환기(110)가 필요하고 촉매 반응기(100)와 열교환기(110)가 직렬로 반복적으로 연결되어 있는 형태로 구성된다.

이러한 단열 반응기의 구성도를 도 1에 도시하였고 반응기 길이에 따른 가스의 온도 변화를 도시하였다.

일산화탄소 제거기로의 일산화탄소 선택 산화 반응에는 산소를 필요로 하기 때문에 통상은 개질 가스에 공기를 혼합하고 이 혼합가스를 촉매에 통과시키는 방법이 채택되고 있다.

개질 가스와 혼합되는 공기의 양은 개질 가스에 포함되어 있는 일산화탄소를 완전 산화시키기 위하여 필요로 하는 산소의 양과 촉매의 특성에 따라 수소와 반응하는 산소의 양을 고려하여 결정한다.

산화 반응의 진행에 따라 필연적인 온도 상승이 초래되는 종래의 단열 반응기에서는 개질 가스와 혼합되는 공기의 양에 의하여 촉매층이 겪는 온도 변화 정도가 결정된다.

일반적으로 사용되는 알루미나 담지 백금과 같은 촉매는 약 150℃ 근처에서 가장 좋은 활성과 일산화탄소에 대한 선택도를 보이는 것으로 알려져 있다.

상대적으로 높은 온도에서 반응이 진행될 때 일산화탄소 대신 수소가 주로 반응하여 반응기의 효율을 저하시킴과 동시에 일산화탄소가 일정 농도 이하로 감소될 수 없는 한계값이 존재한다.

또한, 일정 온도 이하에서 높은 농도의 일산화탄소에 촉매가 노출되는 경우 촉매가 피독되는 경향이 있어 반응성이 급격히 저하된다.

이러한 특성을 갖는 촉매층의 온도 범위를 적정한 수준에서 제한하기 위하여 혼합하는 공기의 양을 매우 제한된 범위에서 조절할 수밖에 없는 한계가 있고 촉매층에 공급되는 개질 가스의 온도를 혼합 공기량에 따른 촉매층의 온도 상승 정도를 고려하여 제어하기 위한 열교환기를 포함하는 온도 제어시스템이 필요하다.

도입되는 일산화탄소의 농도가 높은 경우 이에 따른 혼합 공기의 양도 따라서 증가하게 되어 촉매 온도의 과열을 초래하므로 온도 상승을 방지하기 위해서는 공기를 분기하여 공급하여야 하므로 여러 단의 촉매층과 온도 제어시스템을 연속하여 사용하여야 하므로 시스템이 복잡해짐과 동시에 장치의 대형화를 초래한다.

본 발명의 목적은 연료 전지용 일산화탄소 제거장치의 구성을 간단화하고 일산화탄소 제거 성능을 향상함과 동시에 불필요한 수소와의 반응을 억제하기 위한 열교환기에 촉매를 담지하여 촉매층의 온도를 가장 높은 활성을 유지할 수 있는 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 단열 반응기의 구성과 반응기 길이에 따른 온도 변화를 도시한 도면.

도 2와 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 등온 반응기의 구성을 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 등온 반응기의 길이에 따른 온도 변화를 도시한 도면.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 촉매에 통하여 일산화탄소가 소량 포함된 수소 리치(Rich)한 개질 가스 중에서 일산화탄소를 선택적으로 산화시키는 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거장치에 있어서, 개질 가스가 통과되도록 안내하며, 유입되는 개질 가스를 상기 촉매를 통하여 반응시키는 촉매 반응부들과; 상기 촉매 반응부들 주변으로 개질 가스와 분리되어 흐르는 냉각 매체를 통해 상기 촉매 반응부들의 발생열을 냉각시키는 냉각부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2와 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거장치(200)의 구성을 설명한다.

본 발명의 실시예는 촉매에 통하여 일산화탄소가 소량 포함된 수소리치(Rich)한 개질 가스 중에서 일산화탄소를 선택적으로 산화시키는 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거장치에 있어서, 복수개의 촉매 반응부(210), 냉각부(220)를 포함하여 구성한다.

촉매 반응부(210)는 개질 가스가 통과되도록 안내하며, 유입되는 개질 가스를 상기 촉매를 통하여 반응시킨다.

복수개의 촉매 반응부(210)는 냉각 매체가 흐르는 냉각 매체 통로(222)를 형성할 수 있도록 공간을 두고 서로 이격되어 적층된다.

촉매 반응부(210)는 냉각판(212), 방열판(214), 촉매 시트(216)를 포함하여 구성한다.

냉각판(212)은 냉각 매체와 직접 접하며, 방열판(214)을 통해 전달되는 열을 냉각 매체를 통해 냉각시키는 기능을 한다.

방열판(214)은 도 3에 도시된 바와 같이 냉각판(212) 내에서 금속 시트를 여러 겹으로 접어 형성한다.

촉매 시트(216)는 일산화탄소의 선택적 산화 반응을 촉진하는 촉매 분말을 바인더와 혼합하여 슬러리화하여 코팅 형성되며, 방열판(214)의 표면에 결합된다.

여기서, 방열판(214)의 표면에 결합되는 촉매 분말은 백금(Pt ; Platinum), 루테늄(Ru ; Ruthenium), 베이스 메탈(Base Metal)계 등의 소재로 이루어진다.

냉각부(220)는 냉각 매체 통로(222), 냉각 매체 입출구(224, 226)를 포함하여 구성하며, 촉매 반응부(210)들 주변으로 개질 가스와 분리되어 흐르는 냉각 매체를 통해 촉매 반응부(210)들의 발생열을 냉각시킨다.

냉각 매체 통로(222)는 도 3에 도시된 바와 같이 적층된 촉매 반응부(210)들 주변으로 개질 가스와 분리되어 냉각 매체가 흐를 수 있도록 형성된다.

냉각 매체 입출구(224, 226)는 냉각 매체 통로(222)의 시작단과 끝단에 각각 형성되어 냉각 매체의 유입을 안내하고 냉각 매체 통로(222)를 통해 촉매 반응부(210)들을 냉각시킨 냉각 매체를 외부로 배출시킨다.

냉각 매체 입구(224)는 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 냉각부(220)의 하부에 형성되며, 냉각 매체 출구(226)는 냉각부(220)의 상부에 형성된다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 촉매를 통하여 일산화탄소가 소량 포함된 수소 리치(Rich)한 개질 가스 중에서 일산화탄소를 선택적으로 산화시키는 일산화탄소 제거장치에 있어서, 촉매 시트(216)가 결합된 방열판(214)과 냉각판(212)을 포함한 촉매 반응부(210)를 구비하고 이들 사이에 가스를 통과시키도록 한 것과 이들을 여러 번 적층하여 촉매층의 면적을 넓게 한 것 그리고 이들 촉매층을 구성하는 촉매 반응부(210)들 사이에 개질 가스와 분리되어 가스나 액체의 냉각 매체가 흐를 수 있도록 냉각부(220)를 형성한 것을 특징으로 한다.

일반적으로 등온 반응기를 구성하기 어려운 점은 반응 속도에 비하여 열전달 속도가 느리기 때문에 반응에 의하여 생성된 열이 촉매 반응부(210)에 축적되기 때문이다.

본 발명의 실시예는 이러한 문제점을 해소하기 위해 제한된 공간 내에서 냉각부(220)와 접촉되는 촉매 반응 면적을 최대한 넓힘으로써 전열 면적을 증가시키고 촉매 반응부(210)를 얇게 구성하고 여러 층으로 냉각부(220)와 적층하여 구성함으로써 열전달 거리를 짧게 하여 촉매 반응부(210)로의 열 축적이 이루어지지 않도록 열전달 속도를 증가시킨다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거장치(200)의 길이에 따른 온도 변화를 도시한 도면이다.

상기와 같은 구성으로 본 발명의 실시예는 개질 가스가 통과되는 방열판(214)에 촉매를 코팅하여 일산화탄소 산화를 수행함으로써 코팅된 촉매가 최적의 활성을 보이는 온도로 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거장치(200) 전체를 유지하게 함으로써 일산화탄소 제거 효율을 향상시키고 수소와 불필요하게 반응하는 것을 방지함으로써 시스템의 효율을 향상시킨다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거 장치는 방열판이 접합된 열교환 방식의 등온 반응기의 실현 및 일산화탄소 제거 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 촉매에 통하여 일산화탄소가 소량 포함된 수소 리치(Rich)한 개질 가스 중에서 일산화탄소를 선택적으로 산화시키는 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거장치에 있어서,

   개질 가스가 통과되도록 안내하며, 유입되는 개질 가스를 상기 촉매를 통하여 반응시키는 촉매 반응부들과;

   상기 촉매 반응부들 주변으로 개질 가스와 분리되어 흐르는 냉각 매체를 통해 상기 촉매 반응부들의 발생열을 냉각시키는 냉각부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 촉매 반응부들은

   상기 냉각 매체와 접하는 냉각판과;

   상기 냉각판 내에서 금속 시트가 여러 겹으로 접혀 형성되는 방열판과;

   일산화탄소의 선택적 산화 반응을 촉진하는 촉매 분말을 코팅 형성하여 상기 방열판의 표면에 결합되는 촉매 시트를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 촉매 반응부들은 냉각 매체가 흐르는 냉각 매체 통로를 형성할 수 있도록 공간을 두고 서로 이격되어 적층되는 것을 특징으로하는 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 냉각부는

   상기 촉매 반응부들 주변으로 개질 가스와 분리되어 냉각 매체가 흐를 수 있도록 형성되는 냉각 매체 통로와;

   상기 냉각 매체 통로의 시작단과 끝단에 각각 형성되어 상기 냉각 매체가 유입되고 배출되는 냉각 매체 입출구를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 등온 일산화탄소 제거장치.