KR20060033365A - 연료전지용 개질가스의 복합 열교환방법 및 열교환장치 - Google Patents

연료전지용 개질가스의 복합 열교환방법 및 열교환장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 개질가스의 복합 열교환방법 및 열교환장치로, 본 발명의 열교환장치는 개질부(1)로 공급되는 반응물인 저온 상태의 물이 공급되어 예열되는 물 공급관(11); 이 물 공급관(11)이 내부에 설치되고 개질부(1)와 변성부(2)를 거친 반응물인 고온의 개질가스가 통과하여 냉각되면서 수분이 응축 제거되는 내부 개질가스관(12); 이 내부 개질가스관(12)의 외측에 설치되고 내부 개질가스관(12)을 통과한 수분이 제거된 개질가스가 통과하면서 선택적 산화반응부(3)로 공급되기 전에 상기 내부 개질가스관(12)의 개질가스와 열교환을 이루어 예열되는 외부 개질가스관(13);을 포함하여 이루어진 것으로, 개질가스의 폐열을 이용하여 개질반응물인 물과 선택적 산화반응부(3)로 들어갈 반응물(개질가스)을 예열함으로써 개질시스템의 효율을 높이고, 선택적 산화반응부(3)의 초기성능을 높이며, 별도의 냉각장치없이도 본 발명의 복합 열교환장치를 통해 개질가스에 포함된 수분을 응축 제거하여 선택적 산화반응부(3)에서의 촉매성능을 향상시킬 수 있다.
연료전지, 개질부, 변성부, 선택적 산화반응부, 열교환장치, 폐열, 효율상승

Description

연료전지용 개질가스의 복합 열교환방법 및 열교환장치 {A Complex heat exchanging method of reformmatted gas for fuel cell and It's heat exchanging device}
도 1은 본 발명에 의한 복합 열교환장치가 적용된 연료전지시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 의한 복합 열교환장치의 내부구조를 도시한 단면도,
도 3은 본 발명에 의한 복합 열교환장치의 내부에서 물과 개질가스의 흐름을 도시한 것이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 개질부 2 : 변성부
3 : 선택적 산화반응부 4 : 연료전지 본체
10 : 복합 열교환장치 11 : 물 공급관
12 : 내부 개질가스관 13 : 외부 개질가스관
20 : 필터 P1 : 물 공급포트
P2 : 물 배출포트 P3 : 가스 공급포트
P4 : 가스 배출포트 P5 : 공급포트
P6 : 배출포트 P7 : 배수포트
본 발명은 연료전지용 개질가스의 복합 열교환방법 및 열교환장치로, 상세히는 흡열반응인 개질반응과 발열반응인 변성반응을 거친 개질가스의 폐열을 이용하여 개질반응물인 물과 선택적 산화반응부로 들어갈 반응물(개질가스)을 예열함으로써 개질시스템의 효율을 높이고, 선택적 산화반응부의 초기성능을 높이며, 별도의 냉각장치 없이도 개질가스에 포함된 수분을 제거하여 선택적 산화반응부의 촉매성능을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 화학적 산화-환원반응을 통해 전기를 제공하며, 청결함과 효율성 측면에서 다른 형태의 동력발생보다 잇점이 있고 발전시에 발생된 열을 효과적으로 이용할 수 있기 때문에 발전 및 난방 또는 온수급탕을 동시에 필요로 하는 가정용 복합발전시스템으로 바람직하다.
한편, 상기한 연료전지의 연료원은 수소(H2)인데, 이러한 수소는 비교적 낮은 부피 에너지 밀도를 가지며, 현재 대부분 동력발생시스템에서 사용되고 있는 탄화수소연료에 비하여 저장 및 수송이 곤란하므로, 이 탄화수소를 연료전지의 공급원료로 사용할 수 있도록 개질하는 장치가 필요하다.
이러한 개질장치는 천연가스, LPG, 가솔린, 디젤 등과 같은 탄화수소계 연료를 전화시키기 위한 것으로, 초기 전화공정과 다수의 정제공정이 결합된 다단계 공정을 사용하고 있다. 초기 공정은 대부분 증기 개질(steam reforming;SR), 자연 개질(autothermal reforming;ATR), 촉매적 부분산화(catalytic partial oxidation;CPOX) 또는 비촉매적 부분산화(POX)이며, 정제공정은 일반적으로 탈황, 고온 물-가스 전환, 저온 물-가스 전환, 선택적 CO산화, 또는 선택적 CO메탄화로 구성된다.
본 발명과 관련된 기존의 증기 개질공정(SR)에 있어서는 반응물인 상온 액체상태인 물을 사용하고 있으므로 이를 증기화하기 위하여 개질기 전체의 열량소모가 많았으며, 선택적 산화반응촉매의 성능을 향상시키기 위해 선택적 산화반응부의 전단에 추가의 냉각장치를 구비하여 개질가스 중에 함유된 물을 제거해주어야 했었고, 선택적 산화반응부의 빠른 반응성 즉, 초기구동성을 향상시키기 위해 별도의 예열장치를 구비해야 했었으므로 시스템 전체가 복잡해지게 되는 문제점은 물론, 시스템 자체의 소모전력이 크게 되는 단점이 있었다.
한편, 고온의 개질가스 내에 포함된 증기상태의 물이 제거되지 않고 선택적산화반응기에 함께 유입될 경우, 유입경로에 따른 각 라인의 히팅이 필요하고 상온인 선택적 산화반응기에서 개질가스에 포함된 물이 응축되므로 이를 막기 위하여 히터를 이용하여 100℃이상 가열해야 한다. 또한 보통의 선택적 산화반응기는 개질 가스에 포함된 물에 의해 활성온도영역이 높아지며 성능은 저하되는 것으로 알려져 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 개질가스의 폐열을 효과적으로 이용하여 개질부로 공급되는 반응물인 물을 예열시킬 수 있도록 함과 아울러 선택적 산화반응부로 들어갈 반응물(개질가스)을 예열함으로써 개질시스템의 효율을 높일 수 있도록 하고, 동시에 선택적 산화반응부의 초기구동성을 높이며, 별도의 냉각장치 없이도 개질가스에 포함된 수분을 제거하여 선택적 산화반응부에 공급함으로써 선택적 산화반응부의 촉매성능을 향상시킬 수 있고, 이 수분중에 함유된 이물질은 필터에 의해 여과한 후 정화된 물은 개질반응의 반응물로 사용될 수 있도록 하며, 선택적 산화반응부에서는 추가의 가열장치 없이도 개질가스의 폐열과 열교환된 개질가스로만으로도 충분히 열원을 공급하여 초기활성을 증가시킬 수 있도록 하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 개질부로 공급되는 반응물인 저온 상태의 물이 공급되어 예열되는 물 공급관과; 이 물 공급관이 내부에 설치되고 개질부와 변성부를 거쳐 생성된 고온의 개질가스가 통과하여 냉각되면서 수분이 응축 제거되는 내부 개질가스관과; 이 내부 개질가스관의 외측에 설치되고 내부 개질가스관을 통과한 수분이 제거된 개질가스가 통과하면서 선택적 산화반응부로 공급되기 전에 상기 내부 개질가스관의 개질가스와 열교환을 이루어 예열되는 외부 개질가스관;을 포함하여 이루어지는 연료전지용 개질가스의 복합 열교환장치를 제공한다.
또, 본 발명은 상기 개질장치를 사용하여 개질부와 변성부를 거쳐 생성된 고온의 개질가스와 상기 개질부로 공급되는 반응물인 물을 열교환시켜 개질가스에 포함된 수분을 응축 제거함과 아울러 물을 예열하고, 동시에 수분이 제거된 개질가스를 다시 상기 고온의 개질가스와 열교환시킨 후 선택적 산화반응부로 공급하는 연료전지용 개질가스의 복합 열교환방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 복합 열교환장치가 적용된 연료전지 시스템의 구성을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에 의한 복합 열교환장치의 내부구조를 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 복합 열교환장치의 내부에서 물과 개질가스의 흐름을 도시한 것이다.
상기 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 복합 열교환장치(10)는 개질부(1)로 공급되는 반응물인 저온 상태의 물(W)이 공급되어 예열되는 물 공급관(11)과; 이 물 공급관(11)이 내부에 설치되고 개질부(1)와 변성부(2)를 거쳐 생성 된 고온의 개질가스(G)가 통과하여 냉각되면서 수분이 응축 제거되는 내부 개질가스관(12)과; 이 내부 개질가스관(12)의 외측에 설치되고 내부 개질가스관(12)을 통과한 수분이 제거된 개질가스(G)가 통과하면서 선택적 산화반응부(3)로 공급되기 전에 상기 내부 개질가스관(12)의 개질가스와 열교환을 이루어 예열되는 외부 개질가스관(13);을 포함하여 이루어져 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명의 복합 열교환장치(10)는 하나의 몸통 내부에 그 내부로부터 물 공급관(11), 내부 개질가스관(12) 및 외부 개질가스관(13)이 구비된 구조를 이루고 있는데, 내부 개질가스관(12)과 외부 개질가스관(13)은 외벽이 원통형태로 이루어진 이중챔버구조이고, 물 공급관(11)은 열교환에 유리하도록 열교환면적을 최대화하기 위해 나선상으로 꼬인 상태로 이루어져 상기 내부 개질가스관(12)안에 위치한다.
결과적으로, 본 발명의 복합 열교환장치는 물 공급관(11)이 내부 개질가스관(12)으로 감싸여지고, 내부 개질가스관(12)은 다시 외부 개질가스관(13)으로 감싸여진 3중 구조로 이루어져 있다.
상기 열교환장치를 이루는 각 관(11,12,13)은 내식성의 금속 또는 비금속재로서 열전도성이 우수한 소재로 제작하는 것이 바람직하다.
상기 물 공급관(11)은 그 일단에 공급포트(P1)와 배출포트(P2)가 열교환장치 의 외부 즉, 열교환장치(10)의 표면을 이루는 외부 개질가스관(13)의 외측으로 노출되어 상온의 물(W)이 물 공급포트(P1)로 주입되어 복합 열교환장치(10)의 내부를 거쳐 개질가스(G)와 열교환을 이루어 예열된 후 배출포트(P2)에서 나와 개질부(1)로 공급된다.
또, 상기 내부 개질가스관(12)은 그 일단과 타단에 개질부(1)와 변성부(2)를 거친 고온의 개질가스(G)가 공급되는 가스 공급포트(P3)와 가스 배출포트(P4)가 열교환장치(10)의 외부, 즉, 열교환장치(10)의 표면을 이루는 외부 개질가스관(13)의 외측으로 노출되어 고온상태의 개질가스(G)가 복합 열교환장치(10)의 내부를 거쳐 냉각되면서 개질가스(G)중에 함유된 수분이 응축 제거된 후 다시 외부 개질가스관(13)으로 공급되도록 되어 있다.
또한, 상기 외부 개질가스관(13)은 그 내부에 내부 개질가스관(12)과 물 공급관(11)을 수용하고 있으며, 상기 내부 개질가스관(12)을 통과한 수분이 제거된 개질가스(G)가 일측 공급포트(P5)를 통해 내부로 주입되어 상기 내부 개질가스관(12)내부를 통과하는 고온의 개질가스(G)와 열교환을 이루면서 다시 가열된 후 타측의 배출포트(P6)를 통해 선택적 산화반응부(3)로 공급되도록 되어 있다.
상기 내부 개질가스관(12)의 배출포트(P4)와 외부 개질가스관(13)의 공급포트(P5)사이에는 내부 개질가스관(12)에서 응축된 수분을 빼내기 위한 배수포트(P7) 가 형성되어 있고, 이 배수포트(P7)에는 응축된 수분 중에서 이물질을 여과하기 위한 필터(20)가 접속되어 있으며, 이 필터(20)에서 정제된 물은 복합 열교환장치(10)를 거쳐 예열된 후 개질부(1)로 공급되도록 되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 복합 열교환장치(10)에서 물 공급관(11)과 내부 개질가스관(12)에서의 물(W)과 개질가스(G)의 흐름은 서로 상반되도록 즉, 물(W)은 물 공급관(11)의 하부에서 상부를 향하여 공급되도록 물 공급포트(P1)는 하부에 위치하고, 물 배출포트(P2)는 상부에 위치하며, 개질가스(G)는 내부 개질가스관(12)의 상부에서 하부를 향하여 공급되도록 가스 공급포트(P3)는 상부에 위치하고 가스 배출포트(P4)는 하부에 위치하며, 외부 개질가스관(13)에서의 개질가스의 흐름 또한 내부 개질가스관(12)에서의 그것과 상반되는 방향으로 흐르도록 가스 공급포트(P5)는 하부에 위치하고 가스 배출포트(P6)는 상부에 위치하여 고온상태의 개질가스(G)에 대하여 물(W)과 1차로 냉각된 개질가스(G)와의 열교환효율을 최대화 할 수 있도록 한다.
본 발명에 의한 복합 열교환장치는 도면상으로는 도시되어 있지 아니하나 열손실을 방지하기 위한 단열층을 형성하는 것이 바람직하며, 이와 같은 단열층의 형성 및 단열재료 등은 본 발명이 속한 분야에서 자명하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이하에서는 본 발명에 의한 복합 열교환장치의 작용 효과에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 복합 열교환장치로 공급되는 개질가스는 흡열반응인 개질부(1)와 발열반응인 변성부(2)를 거친 상태이므로 개질가스(G)의 온도는 약 200℃이고, 그 성분은 CH4, CO, CO2, H2O(증기상태), H2가 혼합된 상태이며, 내부 개질가스관(12)으로 유입된 고온상태의 개질가스(G)는 내부 개질가스관(12)의 내부에 나선상태로 설치된 물 공급관(11)내부의 물(W)과 열교환을 이루면서 물(W)은 약 80℃정도로 예열되고 반대로 고온의 개질가스(G)는 30℃정도로 냉각되게 되는데, 이 개질가스가 물과의 간접 열교환에 의해 개질가스중에 포함된 증기상태의 수분은 내부 개질가스관(12)에서 응축되어 액체상태의 물로 변화되어 하부의 배수포트(P7)로 배출되므로 개질가스중의 수분이 제거된다.
상기한 물 공급관(11)을 거쳐 80℃이상으로 상승된 예열된 물(W)은 개질부(1)로 공급되므로 그간 탄화수소계 연료와의 개질반응물인 액상의 물을 증기화시키기 위하여 필요로 했던 열량을 발생시키기 위한 개질부(1)내부의 버너의 연료소비량을 절감할 수 있게 된다.
한편, 내부 개질가스관(12)의 외측으로는 외부 개질가스관(13)이 둘러싸고 있으며, 이 외부 개질가스관(13)으로는 내부 개질가스관(12)을 통과하여 냉각되고 탈수가 이루어진 개질가스인 CH4, CO, CO2, H2가 공급되므로 내부 개질가스관(12)을 따라 흐르는 고온의 개질가스와 열교환을 이루어 다시 70~80℃정도로 예열되어 선택적 산화반응부(3)로 공급되므로 선택적 산화반응부(3)로 들어가는 반응물을 예열시키기 위한 히팅장치 등이 별도로 필요치 않게 되며, 이에 따라 선택적 산화반응부(3)의 초기구동성을 향상시킬 수 있게 된다.
또, 상기 배수포트(P7)로 배출된 수분은 필터(20)를 거쳐 정제되고 복합 열교환기(10)를 거쳐 예열된 후 개질부(1)로 공급된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 하나의 복합 열교환장치에서 개질부와 변성부를 거친 고온의 개질가스와 개질부로 공급되는 상온 상태의 물이 열교환을 이루어 개질부로 공급되는 물의 예열로 인한 개질부에서의 소비열량을 절감함과 아울러 개질가스에 함유된 증기상태의 수분을 응축시켜 제거함으로써 선택적 산화반응부에서의 촉매의 성능을 향상시킬 수 있으며, 또한, 탈수를 위해 냉각된 개질가스를 다시 외부 개질가스관을 통해 상기 내부 개질가스관을 통과하는 고온의 개질가스와 열교환시켜 예열함으로써 선택적 산화반응부에서의 초기구동성을 높여줄 수 있으므로 연료전지 개질시스템을 비교적 단순하게 구성할 수 있음과 아울러 이와 같은 단순한 구성으로도 개질시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 등의 잇점을 갖는 다.

Claims (5)

  1. 개질부(1)로 공급되는 반응물인 저온 상태의 물이 공급되어 예열되는 물 공급관(11);
    상기 물 공급관(11)이 내부에 설치되고 개질부(1)와 변성부(2)를 거쳐 생성된 고온의 개질가스가 통과하여 냉각되면서 수분이 응축 제거되는 내부 개질가스관(12);
    상기 내부 개질가스관(12)의 외측에 설치되고 내부 개질가스관(12)을 통과한 수분이 제거된 개질가스가 통과하면서 선택적 산화반응부(3)로 공급되기 전에 상기 내부 개질가스관(12)의 개질가스와 열교환을 이루어 예열되는 외부 개질가스관(13);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질가스의 복합 열교환장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 물 공급관(11)은 내부 개질가스관(12)내부에서 나선상으로 꼬인 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질가스의 복합 열교환장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 물 공급관(11)과 내부 개질가스관(12)에서의 물과 개질가스의 흐름은 서로 상반되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질가스의 복합 열교환장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 내부 개질가스관(12)에서의 개질가스는 상부에서 하부를 향하여 흐르고, 내부 개질가스관(12)의 하부에는 개질가스에서 응축된 물을 배수시키기 위한 배수포트(P7)가 구비되고, 이 배수포트(P7)에는 필터(20)가 접속되어 이 필터(20)에서 이물질이 제거된 물이 상기 물 공급관(11)으로 공급되도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질가스의 복합 열교환장치.
  5. 개질부와 변성부를 거쳐 생성된 고온의 개질가스와 상기 개질부로 공급되는 반응물인 물을 열교환시켜 개질가스에 포함된 수분을 응축 제거함과 아울러 물을 예열하고, 동시에 수분이 제거된 개질가스를 다시 상기 고온의 개질가스와 열교환시킨 후 선택적 산화반응부로 공급함을 특징으로 하는 연료전지용 개질가스의 복합 열교환방법.
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