KR20040032784A - 수소발생장치 및 이것을 사용한 발전장치 - Google Patents

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아소도모노리
스즈키모토히로
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

C0 및 수소의 배출을 방지하여, 고개질효율로 깨끗하고 안전한 수소를 생성할 수 있고, 기동시의 물의 증발을 촉진할 수 있어, 단시간에 기동할 수 있는 수소발생장치를 제공한다.
적어도 탄소 및 수소로 구성된 화합물을 함유한 원료를 공급하는 원료공급부와, 물을 공급하는 물공급부와, 상기 물공급부로부터의 물을 증발시키는 물증발부와, 상기 원료 및 상기 물로부터 수증기개질에 의해 개질가스를 생성하기 위한 개질촉매를 가진 개질부와, 상기 개질부를 가열하는 버너와, 상기 버너에 연료를 공급하는 연료공급부와, 상기 버너에 연소용의 공기를 공급하는 제 1 공기공급부를 구비한 수소발생장치에 있어서, 상기 버너로부터 배출되는 연소가스가 통과하는 연소가스유로내에, 연소촉매를 설치한다.

Description

수소발생장치 및 이것을 사용한 발전장치{HYDROGEN GENERATOR AND ELECTRIC GENERATOR USING THE SAME}
본 발명은, 천연가스, LPG, 가솔린, 나프타, 등유 또는 메탄올 등의 탄화수소계 물질을 주원료로서 사용하여, 연료전지 등의 수소이용기기에 공급하기 위한 수소가 풍부한 가스를 발생시키는 수소발생장치에 관한 것이다.
종래의 수소발생장치의 구성을 도 9를 사용하여 설명한다. 종래의 수소발생장치는, 적어도 탄소 및 수소로 구성되는 탄화수소계의 화합물을 주성분으로 하는 원료를 공급하는 원료공급부(51), 개질반응에 필요한 물을 공급하는 물공급부(52), 물공급부(52)로부터의 물을 증발시키는 물증발부(53)를 구비한다. 물증발부(53)는, 개질촉매를 충전한 개질부(54)에 연결되어 있다. 개질부(54)의 근방에는 버너 (57)가 설치되고, 버너(57)에는, 공기를 공급하는 공기공급부(55)와, 연료를 공급하는 연료공급부(56)가 설치된다.
버너(57)에서 생긴 고온의 연소가스는, 개질부(54)를 가열하고, 배기가스로서 배기구(61)로부터 배출된다. 또한, 개질부(54)로부터 송출되는 개질가스는, 변성촉매를 충전한 변성부(58)에 보내진다. 변성부(58)로부터 송출되는 변성가스는,CO산화촉매를 충전한 CO산화부(59)에 보내진다. 여기서, CO산화반응에 의해 변성가스의 CO농도가 20ppm 이하가 되어, 수소가 풍부한 생성가스가 CO산화부(59)로부터 연료전지(60)로 보내진다.
수소발생장치에서는, 공급가스에 대하여 생성된 수소의 비율을 나타내는 개질효율이 높아지면, 적은 공급가스로 많은 수소를 얻을 수 있다. 그 때문에, 경제적인 장점을 얻을 수 있다. 따라서, 개질효율의 향상이 수소발생장치의 개발에서는 큰 포인트가 되고 있다. 개질효율을 높이고자 하면, 버너(57)에서의 공기비를 1.5∼1.0 가까이까지 작게 하여 버너(57)의 화염의 온도를 높게 하는 동시에, 배기구(61)로부터 방출되는 열량을 적게 억제하는 방법이 있다. 여기서, 「공기비」라 함은, 버너(57)에 공급되는 공기량의, 버너(57)에 있어서의 연료의 연소에 필요한 이론공기량에 대한 비(공급되는 공기량/이론공기량)를 말한다.
그러나, 종래의 수소발생장치에서는, 공기비를 약 1.2로 하면, 버너(57)에서의 연소에 대하여 공기가 국소적으로 부족하게 되고, 약 100ppm 농도의 CO가 배출되고 있었다. 다시 공기비를 약 1.1까지 내리면, 더욱 CO의 농도가 늘어나, 약 1000ppm 농도의 CO가 배출되고 있었다. 게다가, 공기공급부(55)로부터 공급되는 공기량 및 연료공급부(56)로부터 공급되는 연료량의 격차 등을 고려하면, 공기비는 약 1.5로 설정하지 않을 수 없고, 이 경우, 공기비 1.2의 운전에 대하여 1∼2% 개질효율이 낮아지고 있었다.
또한, 수소발생장치의 기동시에는, CO산화부(59)로부터 송출되는 생성가스중에 20ppm 이상의 CO가 함유되기 때문에, 이 생성가스를 연료전지(60)에 공급할 수는 없다. 생성가스중에는, CO이외에도 수소나 탄화수소계의 가연성가스가 포함되어 있다. 이들 가연성가스를 효율적으로 이용하기 위해서, 기동시의 생성가스를 버너(57)에 공급하여 연소시켜, 개질부(54)의 가열에 사용하고 있다.
그러나, 기동시에는, 개질부(54), 변성부(58) 및 CO산화부(59)의 온도가 안정한 상태가 아니며, 온도상태에 따라서 각부에서의 반응상태가 변화하고 있다. 요컨대, CO산화부(59)로부터의 생성가스의 유량이나 성분이 변화하고 있다. 따라서, 버너(57)에 공급되는 가연성가스의 상태가 변화하기 때문에, 버너(57)의 연소상태는 흐트러지기 쉽고, 일시적으로 완전연소하지 않는 CO 및 수소가 배출되는 경우가 있었다.
또한, 수소발생장치의 기동시에는, 버너(57)로부터의 연소열은, 우선, 버너 (57)의 주변을 비롯하여 개질부(54)전체의 가열에 사용된다. 그 때문에, 상기 연소열은 물증발부(53)에는 전해지기 어렵고, 물이 증발하기 시작하는 데에 시간이 걸려, 이것이 수소발생장치의 기동시간이 길어지는 요인이 되고 있었다.
본 발명은, 이상과 같은 문제를 해결하는 것으로, 버너(57)에서의 공기비를 작게 하였을 때 및 기동시에 생기기 쉬웠던 CO및 수소의 배출을 방지하여, 높은 개질효율로 깨끗하고 안전한 수소를 발생시킬 수 있는 수소발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은, 기동시의 물의 증발을 촉진할 수가 있고, 단시간에 기동할 수 있는 수소발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 수소발생장치의 구성도이다.
도 2는 공기비에 대한 개질효율과 CO농도의 특성도이다.
도 3은 연소촉매설치의 효과를 나타내는 특성도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 수소발생장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 수소발생장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 4에 있어서의 수소발생장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 연소촉매담체의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 5에 있어서의 수소발생장치의 구성도이다.
도 9는 종래의 수소발생장치의 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 원료공급부2 : 물공급부
3 : 물증발부4 : 개질부
5 : 제 1 공기공급부6 : 연료공급부
7 : 버너8 : 배기구
9 : 변성부1O : CO산화부
11 : 연료전지12 : 연소촉매
13 : 3방향 밸브14 : 연소촉매
15 : 제 2 공기공급부16 : 평판 형상 금속박판
17 : 주름진 형상 금속박판
이상과 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은,
적어도 탄소 및 수소로 구성된 화합물을 함유한 원료를 공급하는 원료공급부와,
물을 공급하는 물공급부와,
상기 물공급부로부터의 물을 증발시키는 물증발부와,
상기 원료 및 상기 물로부터 수증기개질에 의해 개질가스를 생성하기 위한 개질촉매를 가진 개질부와,
상기 개질부를 가열하는 버너와,
상기 버너에 연료를 공급하는 연료공급부와,
상기 버너에 연소용의 공기를 공급하는 제 1 공기공급부와,
상기 버너로부터 배출되는 연소가스가 통과하는 연소가스유로내에 설치된 연소촉매를 구비하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치를 제공한다.
상기 버너는 상기 물증발부의 근방에 설치되어 있는 것이 유효하다.
또한, 상기 수소발생장치로부터 송출되는 생성가스가, 상기 연료공급부로부터의 연료와 혼합되어 상기 버너에 공급되는 것이 유효하다.
또한, 상기 연소촉매가, 상기 물증발부에 접하고 있는 것이 유효하다.
또한, 상기 연료촉매가, 상기 물증발부와 일체화되어 있는 것이 유효하다.
상기 연소촉매가, 상기 물증발부의 표면에 도포되어 있는 것이 유효하다.
상기 연소가스유로에 있어서의 연소가스의 온도는, 100℃ 이상 200℃ 이하인 것이 유효하다. 즉, 상기 연소가스유로내에서, 상기 연소가스의 온도가 상기 범위내가 되도록 하는 위치에, 상기 연소촉매를 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 연소가스유로가 상기 개질부의 주위를 둘러싸고, 상기 물증발부가 상기 연소가스유로를 둘러싸고 있는 것이 유효하다.
또한, 상기 버너와 상기 연소촉매와의 사이에서, 상기 연소가스유로에 공기를 공급하는 연소촉매용의 제 2 공기공급부를 구비하는 것이 유효하다.
또한, 상기 제 1 공기공급부에서 공급되는 공기량의, 상기 버너에서의 연료의 연소에 필요한 이론공기량에 대한 비가 1 이하이고, 상기 제 1 공기공급부로부터 공급되는 공기량과 상기 제 2 공기공급부에서 공급되는 공기량과의 합계량의, 상기 버너에서의 연료의 연소에 필요한 이론공기량에 대한 비가 1이상이 되도록, 상기 제 2 공기공급부에서 공기를 공급하는 것이 유효하다.
또한, 상기 연소촉매가, 주름진 형상의 금속박판 및/또는 평판 형상 금속박판에 의해 구성된 담체에 담지되어 있는 것이 유효하다. 이 경우, 상기 연소촉매는, 담체와 담체에 담지된 촉매종(觸媒種)으로 구성된다.
또한, 상기 연소촉매가 벌집형상 및/또는 펠릿형상인 것이 효과적이다. 이 경우는, 담체가 벌집형상이어도 좋고, 촉매종 그 자체가 벌집형상 또는 펠릿형상이더라도 좋다.
또한, 본 발명은, 상기 수소발생장치와, 산소를 함유한 산화제가스 및 상기 수소발생장치로부터 공급되는 수소를 함유하는 개질가스를 사용하여 발전하는 연료전지를 구비하는 것을 특징으로 하는 발전장치도 제공한다.
[실시예]
이하에, 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 수소발생장치의 실시형태를 설명한다.
《실시형태 1》
도 1은, 본 발명의 실시형태 1에 관한 수소발생장치의 구성을 나타내는 개략종단면도이다. 도 1에 나타내는 수소발생장치는, 개질반응시키는 원료를 공급하는 원료공급부(1)를 가지며, 원료공급부(1)의 하류측에는, 원료가스에 함유되는 유황 등, 촉매를 피독하는 성분의 농도를 낮게 하기 위한 탈황부(1A)가 설치된다. 물공급부(2)는 개질반응에 필요한 물을 공급하고, 공급된 물을 증발하는 물증발부(3)에 연결되고 있다. 물증발부(3)로부터의 수증기와 원료공급부(1)로부터의 원료는, Ru를 주성분으로 한 개질촉매를 충전한 개질부(4)에 도입된다.
개질부(4) 근방에는, 연소용 공기를 공급하는 제 1 공기공급부(5)와 연료를 공급하는 연료공급부(6)가 연결되는 버너(7)가 설치되어 있다. 버너(7)에서 생긴 연소가스는 개질부(4)의 주위를 통하여 배기구(8)로부터 배출된다. 물증발부(3) 근방의 버너(7)와 배기구(8)의 사이의 연소가스의 통로에는, 고내열성의 금속박판에 백금촉매를 담지시켜 구성되는 연소촉매(12)가 설치되어 있다. 개질부(4)로부터 송출되는 개질가스는, 변성촉매를 충전한 변성부(9)로 보내진다. 변성부(9)로부터의 변성가스는, CO산화촉매를 충전한 CO산화부(10)에 보내진다. 그리고, CO산화부(10)로부터의 생성가스는 연료전지(11)에 보내진다.
여기서, 원료공급부(1)로부터 공급되는 원료나, 연료공급부(6)로부터 공급되는 연료는, 적어도 탄소 및 수소로 구성된 탄화수소계의 화합물을 주성분으로 한다. 예를 들면, 천연가스(도시가스) 및 LPG 등의 기체상태의 탄화수소연료, 및 가솔린, 등유 및 메탄올 등의 액체상태의 탄화수소계 연료 등을 들 수 있다.
또한, 원료공급부(1), 물공급부(2), 제 1 공기공급부(5) 및 연료공급부(6)에 있어서의 유량의 조정은, 펌프 또는 팬 등을 이용하여 할 수 있다. 또한, 펌프 또는 팬 등의 하류측에 밸브 등의 유량조정기를 설치하는 방법도 있다. 특히 도시하지 않지만, 본 발명에 있어서는, 상기 공급부는 모두 유량조정기능을 가진 것으로 한다.
또, 도면중의 화살표는 연소가스의 흐름을 나타내고 있다.
상기의 구성에 있어서, 원료와 연료에 각각 도시가스를 사용한 경우의 수소발생장치의 동작을 설명한다. 원료공급부(1)로부터의 도시가스와, 물공급부(2)로부터의 물에 의해 물증발부(3)에서 생긴 수증기와의 혼합기체를, 버너(7)에서 600∼700℃로 고온화한 개질부(4)로 공급함으로써, 개질반응을 한다. 개질반응에 의해 얻어진 개질가스는 변성부(9)에 보내지고, 변성반응에 의해 얻어진 변성가스가 CO산화부(10)에 보내진다.
CO산화부(10)에서는, CO산화반응에 의해 CO농도 20ppm 이하의 수소가 풍부한 생성가스를 얻을 수 있으며, 이 생성가스는 연료전지(11)에 보내진다. 이 때, 제 1 공기공급부(5)로부터 버너(7)에의 공기량을, 연료의 연소에 필요한 이론공기량(공기비 1.0)에 가깝게 하면, 화염온도가 높아져 연소가스온도도 높아지고, 개질부 (4)에의 전열량(傳熱量)을 증가시킬 수 있다. 또한, 공기량이 적어진 만큼 연소가스의 유량이 적어지기 때문에, 가스온도가 같더라도 배기구(8)로부터 배출되는 배기가스내의 열량이 적어진다. 따라서, 버너(7)에서의 연소열을 효율적으로 이용하는 것이 가능해져, 개질효율을 높게 할 수가 있다.
버너(7)는 수소를 함유한 개질가스를 연소시키기 때문에, 사전혼합 연소버너를 사용하는 것보다도, 확산연소버너를 사용하는 쪽이, 역화(逆火)가 생기기 어려운 안전한 연소라는 관점에서 바람직하다. 또한, 원료가스인 도시가스에는 유황성분이 함유되어 있지만, 탈황부(1A)에서 유황분이 저농도로 제거되기 때문에, 하류측의 촉매가 피독열화하는 것을 억제할 수가 있다. 연소촉매(12)는, 금속박판에 백금촉매를 담지시킴에 의하여 구성하면 좋지만, 벌집형상의 담체에 백금촉매를 담지시키거나, 펠릿형상의 담체에 백금촉매를 담지시키거나 할 수도 있어, 이들 경우, 연소가스와 연소촉매와의 접촉면적을 크게 할 수 있다.
여기서, 도 2는, 공기비에 대한 개질효율과, 버너(7)로부터의 연소가스내(연소촉매보다 상류부)의 CO농도를 나타낸 것이다. 공기비를 1.5에서 1.1로 작게 하면, 개질효율은 약 2% 높아지고 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 버너(7)로부터 배출되는 CO농도는, 공기비 1.2에서 약 50ppm, 1.1에서는 약 1000ppm이 되고 있다. 이것은, 버너(7)의 특성상, 전체적으로는 도시가스에 대하여 연소용공기가 조금 남아 있음에도 불구하고, 국소적으로 공기부족이 되어 있는 부분이 존재하여, 불완전 연소에 의한 CO를 배출하고 있기 때문이다. 또한, 조건에 따라서는, CO뿐만 아니라 수소도 배출하는 경우가 있다.
여기서, 본 발명에서는, 버너(7)와 배기구(8)와의 사이의 연소가스유로에, 연소촉매(12)를 설치하고 있다. 연소가스의 온도는, 배기구(8)에서 100℃ 정도이고, 연소가스유로 중간에서는 더욱 그 이상의 온도가 되고 있다. 따라서, 연소촉매(12)는 100℃ 이상의 온도상태가 되고 있다. 연소촉매(12)는 백금촉매를 담지하고 있기 때문에, 100℃의 온도에서 산소가 조금 있으면, CO를 충분히 산화반응시킬 수 있다. 또한, 수소는 CO보다도 촉매온도에 대한 반응성이 높기 때문에, CO가 반응하는 온도로 되어 있으면, 수소도 산화반응시킬 수 있다.
다음에, 도 3은, 연소촉매(12)의 전후에 있어서의 연소가스내의 CO농도를 나타낸 것이다. 버너(7)로부터 CO가 배출되고 있더라도 연소촉매(12)에 의해 산화되고 있고, 공기비를 1.05까지 작게 하더라도 배기구(8)로부터 CO를 거의 배출하는 일은 없다. 따라서, 공기비를 1.2로 설정하면, 도시가스 및 공기의 공급량에 다소의 차이가 생겨, 공기비가 10%정도 작아졌다고 해도, CO를 배출하는 일은 없고, 높은 개질효율로 깨끗하게 안전한 배기가스를 실현할 수가 있다.
한편, 후술하는 실시형태도 포함하여, 도시하지 않지만, 본 발명에 관한 수소발생장치는 제어부를 가진 것이 바람직하다. 그리고, 이 제어부에 의해서, 원료공급부, 물공급부, 물증발부, 개질부, 버너, 연료공급부, 제 1 공기공급부 및 제 2 공기공급부 등을 제어시키면 좋다.
《실시형태 2》
도 4는, 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 수소발생장치의 구성도이다. 실시형태 2에 관한 수소발생장치는, 상기 실시형태 1에 관한 수소발생장치와 거의 같은 구성을 갖지만, CO산화부(10)와 연료전지(11)와의 사이에 3방향 밸브(13)가 설치되어 있는 점에서 다르다. 이 3방향 밸브(13)를 전환함으로써, CO산화부(10)로부터의 생성가스를, 연료전지(11)에 공급하거나, 또는 경로(13a)를 거쳐 버너(7)와 연료공급부(6)의 사이 부분에 공급할 수 있다. 그리고, 수소발생장치의 기동시에는, 3방향 밸브(13)를 버너(7)측으로 전환해 둔다.
상기의 구성에 있어서, 수소발생장치의 기동시의 동작을 설명한다. 우선, 연료공급부(6)로부터의 도시가스와 공기공급부(5)로부터의 공기에 의해 버너(7)에 화염을 형성하고, 개질부(4)와 물증발부(3)를 가열한다. 물증발부(3)의 온도가 상승하여 물이 증발하는 상태가 되면, 물공급부(2)로부터 물을 공급하여 수증기를 발생시키고, 원료공급부(1)로부터 도시가스를 공급함으로써 개질부(4)에 수증기와 도시가스와의 혼합 기체를 공급한다.
개질부(4)의 온도가 개질반응이 일어나지 않는 온도일 때에는, 수증기와 도시가스는, 그대로 개질부(4)를 지나, 변성부(9)와 CO산화부(10)를 통하여, 3방향 밸브(13)에 의해 버너(7)에 보내진다. 버너(7)에는 연료공급부(6)로부터의 도시가스가 공급되고 있지만, 3방향 밸브(13)에 의해 CO산화부(10)로부터의 도시가스가 공급되면, 연료공급부(6)로부터의 도시가스의 공급을 정지하고, CO산화부(10)로부터의 도시가스만으로 버너(7)에서의 연소를 한다.
이 때, 개질부(4)의 온도가 개질촉매의 반응온도가 되면, 개질부(4)에서는 1몰의 도시가스로부터 4.6몰의 수소를 생성한다. 따라서, 개질부(4)에서 4.6배의 체적팽창이 생기기 때문에, 변성부(9)나 CO산화부(10)내에 체재하고 있는 도시가스나 수증기가 버너(7)측에 일시에 밀어내진다. 게다가, 개질촉매의 온도에 따라서 반응비율이 변하기 때문에, 개질부(4)로부터 송출되는 가스의 유량 및 조성은 매우급격하게 변화한다. 따라서, 버너(7)에서의 화염은 불안정한 상태가 되기 쉽다.
또한, 변성부(9)나 CO산화부(10)에서도 온도에 따라 반응이 변화하기 때문에, 버너(7)에 공급되는 가스의 양 및 조성은 시시각각 변화한다. 따라서, 버너 (7)에서의 화염은 기동시에는 특히 불안정한 상태가 되기 쉽고, 국소적인 불완전 연소상태가 일어나면, 가연성가스인 CO나 수소를 배출하는 경우가 있다.
여기서, 연소촉매(12)를 연소가스유로에 설치해 놓으면, CO및 수소를 함유한 연소가스가 배출되었다고 해도, 조금이라도 공기가 존재하고 있으면 CO와 수소를 산화반응시킬 수 있고, 배기구로부터 배출되는 CO와 수소를 최소한으로 억제할 수 있다.
《실시형태 3》
도 5는 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 수소발생장치의 구성도이다. 실시형태 3에 관한 수소발생장치의 구성은 상기 실시형태 1에 관한 수소발생장치의 구성과 거의 같지만, 물증발부(3)를 개질부(4)의 주위를 둘러싸도록 설치하고, 더욱, 물이 고이는 물증발부(3)의 부분과 개질부(4)와의 사이에서, 연소가스온도가 200℃ 이하가 되는 연소가스유로의 부분에, 연소촉매(14)를 설치하는 점에서 다르다.
상기의 구성에 있어서, 개질부(4)의 주위가 물증발부(3)로 둘러싸여 있기 때문에, 정상의 운전시에는 고온의 개질부(4)로부터의 주위에의 방열은 물증발부(3)로 전열한다. 따라서, 개질부(4)로부터의 방열이 물의 증발에 효율적으로 사용되는 동시에, 물이 증발할 때의 증발잠열의 크기에 따라 물증발부(3)의 표면은 비교적 낮은 온도로 유지된다. 따라서, 물증발부(3)로부터의 방열은 낮게 억제되고,버너(7)에서의 연소열을 효율적으로 사용할 수 있어, 개질효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 기동시에는, 실시형태 2에서 설명한 바와 같이, 연료공급부(6)로부터의 도시가스와 공기공급부(5)로부터의 공기에 의해 버너(7)에 화염을 형성한다. 우선, 버너(7)로부터의 연소열은 버너(7)의 주위나 그 근방에 있는 개질부(4)의 가열에 사용되며, 개질부(4)의 주위에 설치되어 있는 물증발부(3)는 가열되기 어렵다. 따라서, 물증발부(3)의 온도가, 물이 증발하기 시작하는 온도가 되기 위해서는, 버너(7)의 주위나 개질부(4)가 어느정도 가열되어, 버너(7)에서의 연소열이 물증발부(3)의 가열에 사용되기 시작하고 난 후이기 때문에, 기동하고 나서 어느 정도의 시간을 요하고 있다.
여기서, 물증발부(3)의 안쪽의 하부에 위치하는 연소가스유로에, 연소촉매 (14)를 설치한다. 연소촉매(14)의 온도는, 물증발부(3)가 물의 증발을 시작하기 전에, 연소가스에 의해 50∼60℃로 상승하고 있다. 이 때, 기동시의 버너(7)에서의 화염의 상태가 불안정해져, 연소가스중에 CO나 수소가 함유되면, 연소촉매(14)로 산화반응한다. 따라서, 연소촉매(14)로는 CO를 연소시키는 동시에, 그 연소열로 물증발부(3)를 다소나마 가열하기 때문에, 물의 증발을 촉진할 수 있다. 따라서, 수소발생장치의 기동시간의 단축도 가능해진다.
또한, 연소가스의 온도가 200℃ 이하이기 때문에, CO 및 수소의 산화반응이 촉매상에서 일어나더라도, 물이 고여 있는 인접한 물증발부(3)에의 전열에 의해, 연소촉매(14)의 온도는 200℃를 크게 상회하는 일은 없다. 따라서, 고온화에 의한촉매활성의 저하를 억제하고, 장기간 사용시에도 연소촉매(14)를 양호한 상태로 유지할 수 있어, 깨끗하고 안전한 수소발생장치를 실현할 수가 있다.
《실시형태 4》
도 6은 본 발명의 실시형태 4에 있어서의 수소발생장치의 구성도이다. 실시형태 4에 관한 수소발생장치의 구성은 상기 실시형태 3에 관한 수소발생장치의 구성과 거의 동일하지만, 더욱 버너(7)와 연소촉매(14)와의 사이에 연소촉매용의 제 2 공기공급부(15)가 설치되어 있는 점에서 다르다.
이 구성에 있어서는, 촉매연소용의 제 2 공기공급부(15)로부터 다소라도 공기를 공급하면, 버너(7)로부터 배출된 CO를, 버너(7)로부터의 연소가스중에 남아 있는 산소만으로는 연소촉매(14)로 완전히 산화할 수 없는 경우라도, 연소촉매(14)의 상류측에 충분한 양의 공기를 공급할 수 있기 때문에, CO를 완전히 산화반응시킬 수 있다. 이와 동시에, 연소열로 물증발부(3)를 가열할 수가 있다.
특히, 기동시에, 공기공급부(5)로부터 공급되는 공기량의, 연료공급부(6)로부터 공급되는 연료의 연소에 필요한 이론공기량에 대한 비(공기비)를 1.0 이하, 또는 1.0보다 작게 하여, 상기 공기공급부(5)로부터 공급되는 공기량과 연소촉매용의 제 2 공기공급부(15)로부터 공급되는 공기량과의 합계량의, 버너(7)에서의 연료의 연소에 필요한 이론공기량에 대한 비(공기비)를 1.0이상으로 하면, 물의 증발을 촉진할 수가 있다.
즉, 공기비를 1.0보다 작게 함으로써, 버너(7)를 불완전 연소의 상태로 한다. 그리고, 미연소의 가연성성분을 포함한 연소가스를, 연소촉매용의 제 2 공기공급부(15)로부터 공기비가 1.0이상이 되도록 하는 양의 공기와 혼합하여, 연소촉매(14)에 공급한다. 이에 따라, 연소가스중의 미연소성분을 연소촉매(14)로 완전연소시킬 수 있다. 연소촉매(14)는, 물증발부(3)의 안쪽하부의 물이 저장되기 쉬운 위치에 설치하고 있기 때문에, 연소열에 의해 물증발부(3)는 가열되어, 물의 증발이 촉진된다.
여기서, 버너(7)에서의 공기비를 작게 하면 할수록, 버너(7)로부터 연소가스유로에 흘러 들어오는 미연소성분의 양이 증가하기 때문에, 연소촉매(14)에서 연소해야 할 미연소성분의 양이 늘어나고, 연소열이 많아져서 물증발부(3)의 가열량이 많아진다. 따라서, 물의 증발을 촉진할 수 있고, 수소발생장치의 기동시간을 단축하는 것이 가능해진다.
도 7은, 본 발명의 실시형태 1∼5에 관한 수소발생장치에 사용하는 연소촉매의 담체의 구성도를 나타내는 개략사시도이다. 도 7에 나타내는 담체는, Fe-Cr-Al제의 평판 형상 금속박판(16)(판두께 0.O5mm)과, 주름진 형상의 금속박판(17)을 조합하여 구성되어 있다. 금속판을 사용함으로써, 연소가스유로에 적합한 형상의 담체를 제작하기 쉽고, 또한, 평판 형상과 주름진 형상의 조합에 의해서, 담체에 연소가스가 흐르는 작은 셀(공간)(17a)을 형성할 수가 있다. 이에 따라, 연소가스와 연소촉매와의 접촉면적을 증대시킬 수 있어, 촉매반응의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속박판의 열용량이 작고, 금속박판의 온도는, 흐르는 연소가스의 온도까지 바로 상승하기 때문에, 기동시의 조기 단계에서 연소촉매에서의 산화반응이 가능하다.
여기서, 주름진 형상 금속박판의 산의 높이를 낮게 하면, 평판 형상 금속박판과의 사이에 생긴 셀의 크기를 작게 할 수 있고, 상기 산의 높이를 높게 하면, 셀의 크기를 크게 할 수 있다. 이 셀의 치수에 대해서는, 담지시키는 연소촉매의 양 및 연소가스의 유량 등에 따라서, 적절히 설정할 수가 있다.
도 7에는, 평판 형상 금속박판 1장과 주름진 형상 금속박판 2장과의 조합의 일례를 나타내었지만, 주름진 형상, 산의 수, 조합방법, 담체의 재질 등은, 연소촉매가 기능하면 어떠한 구성이라도 좋다.
또한, 주름진 형상 금속박판 대신에, 엠보스형상 금속박판, 산형상 금속박판 또는 ㄷ 자형상의 금속박판 등, 평판 형상 금속박판과 겹쳐 맞추었을 때에 공간(셀)을 형성할 수 있는 형상의 금속박판을 사용할 수 있다. 물론, 공간을 형성할 수 있는 형상의 금속박판끼리를 겹쳐 사용하는 것도 가능하다.
상기 실시형태에서는, 연소촉매의 촉매종으로서 백금을 사용하고 있지만, 백금에 한정되지 않고, 팔라듐 및 루테늄 등의 백금족계 금속, 구리, 철 및 아연 등의 천이금속 등, CO을 산화반응시키는 것이면 사용할 수 있다.
《실시형태 5》
도 8은 본 발명의 실시형태 5에 관한 수소발생장치의 구성도이다. 이 실시형태에 관한 수소발생장치의 구성은 상기 실시형태 1에 관한 수소발생장치의 구성과 거의 동일하지만, 이하의 점에서 다르다. 즉, 본 실시형태에 있어서는, 연소촉매의 촉매종을 담체에 담지시키는 것이 아니라, 연소가스유로에 있어서, 물증발부(3)에 면하는 벽면에 촉매종을 도포하고, 연소촉매부(12A)를 형성하고 있다. 또한, 연소가스유로에 있어서, 개질부(4)의 벽면에는, 연소가스의 흐름 방향에 대하여 수직인 방향으로, 평판 형상의 전열(傳熱)핀 복수매를 설치하여, 이 전열핀에 연소촉매종을 도포하고, 전열핀상에 연소촉매부(12B)를 형성하고 있다.
본 실시형태에 있어서는, 연소촉매부(12B)에서의 연소반응에 의해서 연소가스내의 CO가 저감됨과 동시에, 그 연소열이 개질부(4)에 전달되므로 개질부(4)의 열효율이 향상한다. 또한, 개질부(4)의 흡열반응이 진행하는 부분에 연소촉매부 (12B)를 설치함으로써, 개질반응에 필요한 열량을 효과적으로 전열할 수 있기 때문에, 전화율이 향상하여 수소생성량을 증가시킬 수 있다. 연소촉매부(12A)에서, 연소가스중의 CO가 연소반응으로 저감됨과 동시에, 그 연소열이 물증발부(3)에 전달되기 때문에, 물증발부(3)에서 안정적으로 수증기가 발생한다. 이에 따라, 개질반응이 안정화하여, 얻어지는 수소량이 안정화한다.
본 발명에 의하면, 수소발생장치에 있어서, CO나 수소를 함유하지 않은 깨끗한 배기가스를 얻을 수 있으며, 이 배기가스를 사용하여 물의 증발을 촉진시켜, 높은 개질효율을 실현할 수가 있다.
또한, 수소발생장치의 기동시에 CO나 수소를 함유하지 않은 배기가스를 발생시킬 수 있고, 물의 증발촉진에 의해, 기동시간을 짧게 할 수가 있다.
더욱이, 개질부의 주위를 물증발부로 둘러쌈에 따라, 개질부로부터의 방열을 물증발부에서 회수하여, 열을 효율적으로 이용할 수가 있다.
또한 본 발명에 있어서, 버너와 연소촉매의 사이에 연소촉매용 공기를 공급함으로써, 연소촉매에 있어서의 반응을 확실히 할 수 있고, 배기구로부터의 CO의 배출을 억제할 수 있다.
또한, 기동시에는, 버너에 공급되는 공기량의, 버너에서의 연소에 필요한 이론공기량에 대한 비를 1 이하로 하고, 버너 및 연소가스유로에 공급되는 총공기량의, 버너에서의 연소에 필요한 이론공기량에 대한 비를 1 이상으로 하는 것에 의해, 연소촉매에서의 연소량을 증가시켜, 물의 증발을 보다 촉진할 수가 있다.
또한, 연소촉매를 주름진 형상 및/또는 평판 형상의 금속박판에 의해 구성된 담체에 담지시킴으로써, 열용량이 작은 연소가스유로에 최적인 형상의 연소촉매체를 내장할 수가 있다.
또한, 연소촉매를 물증발부의 벽면에 도포하고, 예를 들어 층형상의 연소촉매부를 형성함으로써, 물의 증발을 촉진할 수가 있다.
또한, 개질부의 벽면에 전열 핀을 복수매 설치하여, 이들 핀에 연소촉매를 도포함으로써, 개질부에의 전열량을 증대시켜, 열효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (13)

  1. 적어도 탄소 및 수소로 구성된 화합물을 함유한 원료를 공급하는 원료공급부와,
    물을 공급하는 물공급부와,
    상기 물공급부로부터의 물을 증발시키는 물증발부와,
    상기 원료 및 상기 물로부터 수증기개질에 의해 개질가스를 생성하기 위한 개질촉매를 가진 개질부와,
    상기 개질부를 가열하는 버너와,
    상기 버너에 연료를 공급하는 연료공급부와,
    상기 버너에 연소용의 공기를 공급하는 제 1 공기공급부와,
    상기 버너로부터 배출되는 연소가스가 통과하는 연소가스유로내에 설치된 연소촉매를 구비하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 버너가 상기 물증발부의 근방에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 수소발생장치로부터 송출되는 생성가스가, 상기 연료공급부로부터의 연료와 혼합되어 상기 버너에 공급되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 연소촉매가, 상기 물증발부에 접하고 있는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 연소촉매가, 상기 물증발부와 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 연소촉매가, 상기 물증발부의 표면에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 연소가스유로에서의 연소가스의 온도가, 100℃ 이상 200℃ 이하인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 연소가스유로가 상기 개질부의 주위를 둘러싸고, 상기 물증발부가 상기 연소가스유로를 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 버너와 상기 연소촉매와의 사이에서, 상기 연소가스유로에 공기를 공급하는 연소촉매용의 제 2 공기공급부를 구비하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 공기공급부로부터 공급되는 공기량의, 상기 버너에서의 연료의 연소에 필요한 이론공기량에 대한 비가 1 이하이고, 상기 제 1 공기공급부에서 공급되는 공기량과 상기 제 2 공기공급부로부터 공급되는 공기량과의 합계량의, 상기 버너에서의 연료의 연소에 필요한 이론공기량에 대한 비가 1 이상이 되도록, 상기 제 2 공기공급부에서 공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 연소촉매가, 주름진 형상 금속박판 및/또는 평판 형상 금속박판에 의해 구성된 담체에 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 연소촉매가, 벌집형상 및 /또는 펠릿형상인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  13. 제 1 항의 수소발생장치와, 산소를 함유한 산화제가스 및 상기 수소발생장치로부터 공급되는 수소를 함유한 개질가스를 사용하여 발전하는 연료전지를 구비하는 것을 특징으로 하는 발전장치.
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