KR20060135391A - 분무부를 구비한 개질 장치 및 이를 채용한 연료전지시스템 - Google Patents

분무부를 구비한 개질 장치 및 이를 채용한 연료전지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부탄 연료와 물을 적절하게 혼합하여 촉매 피독을 방지하고 개질 효율을 향상시킬 수 있는 분무부를 구비한 개질 장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 개질 장치는, 유입구를 통해 유입되는 연료 및 물을 분무하는 분무부와, 분무된 연료 및 물이 혼합되고 예열되는 혼합예열부, 그리고 내부에 위치한 개질 촉매층의 개질 반응을 통해 혼합예열부에서 유입되는 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질반응부를 포함한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 앞서 언급한 개질 장치와, 이 개질 장치에 부탄 연료 및 물을 공급하는 연료공급장치, 그리고 개질 장치로부터 유입되는 수소한 풍부한 개질 가스와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지를 포함한다.
연료 전지, 개질기, reformer, 부탄, 수증기 개질, 연료 혼합

Description

분무부를 구비한 개질 장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템{Reformer having spray and fuel cell system using same}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 개질 장치를 채용한 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 연료전지 시스템에 채용가능한 연료전지를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3의 개질 장치의 주요 부분를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3의 개질 장치를 평판형 개질기로 제작한 예를 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 연료공급장치 200: 연료전지
300: 개질 장치 310: 분무부
320: 완충부 330: 예열부
340: 개질반응부 350: CO 저감부
360: 열원부 370: 열교환부
본 발명은 부탄 연료와 물을 적절하게 혼합하여 촉매 피독을 방지하고 개질 효율을 향상시킬 수 있는 분무부를 구비한 개질 장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다. 연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
그 가운데, 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
수소는 연료 전지의 애노드 전극에서 일어나는 전기화학적 산화 반응에 있어 서 가장 반응성이 뛰어나고 산소와 반응한 후, 물을 생성하여 공해물질을 배출하지 않기 때문에 연료전지의 연료로 가장 적합하다. 하지만 수소는 자연 상태에서 거의 존재하지 않기 때문에 다른 원료로부터 개질하여 얻는다. 예를 들면, 수소는 가솔린, 디젤, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등와 같은 탄화수소 계열의 연료로부터 얻을 수 있다.
한편, 연료 프로세서(소위, 개질 장치)의 각 반응부는 각각 요구되는 반응온도 범위가 있다. 예를 들어, 수증기 개질(steam reforming, SR) 반응의 반응온도 범위는 개질 원료의 종류에 따라 다른데, 부탄 등의 탄화수소계 원료일 때는 대략 600℃ 내지 900℃이고, 메탄올 원료일 때는 대략 250℃ 내지 400℃이다. 수성가스 전환(water gas shift, WGS) 반응의 반응온도 범위는 대략 200℃ 내지 350℃이고 선택적 산화(preferential CO oxidation, PROX) 반응의 반응온도 범위는 대략 100℃ 내지 250℃로 개질 원료의 종류에 따라 별로 차이가 없다. 따라서, 부탄 원료를 사용하는 연료전지에서는 반응 온도 차이가 큰 수증기 개질부와 수성가스 전환부 및 선택적 산화부를 독립적으로 형성하는 것도 가능하다.
또한편, 연료 전지에서 부탄 연료를 사용하는 경우, 부탄 연료는 개질 장치를 통해 수소가 농후한 연료로 변환되어 연료전지의 애노드에 공급된다. 이때, 개질 장치 내부에서는 부탄 연료 내의 탄소가 촉매에 악영향을 미치지 않도록 해야한다. 예컨대, 부탄 연료가 개질 장치 내의 촉매에 코킹(coking)과 탄소 침착(carbon deposition) 등을 발생시키지 않도록 부탄 연료는 적당한 양의 수증기와 적절하게 혼합되어야 한다. 예를 들면, 수증기는 기본적으로 수증기 개질을 위해 사용되지 만, 수증기 개질시 촉매의 코크스(coke) 형성을 억제한다. 여기서, 코크스는 유기화합물의 열분해에 의해 생성된 탄소질 성분이 많은 물질로서 촉매의 전기 화학적 반응을 위한 활성 자리(active site)를 줄이고 또한 낮은 성능을 유도한다. 따라서, 종래의 수증기 개질 방식의 개질 장치에서는 수증기와 탄소의 비율(S/C)을 적절히 조절하면서 수증기와 탄소를 균일하게 혼합하는 것이 매우 중요하다.
본 발명의 목적은 수증기 개질 반응을 위해 개질 장치로 유입되는 연료와 물을 효과적으로 혼합할 수 있는 연료 전지용 개질 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 부탄을 주성분으로 하는 연료를 일정 압력으로 저장하는 연료공급장치를 이용하여 개질 장치 내에서 연료와 물을 효과적으로 혼합될 수 있도록 하는 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 유입구를 통해 유입되는 연료 및 물을 분무하는 분무부와, 분무된 연료 및 물을 혼합하고 예열하는 혼합예열부, 그리고 혼합예열부에 결합되며 내부에 위치한 개질 촉매층의 개질 반응을 통해 혼합예열부를 통과하는 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질반응부를 포함하는 개질 장치가 제공된다. 여기서, 분무부, 혼합예열부 및 개질반응부는 일정한 내부 공간을 구비한 하우징 내에 설치된다.
바람직하게, 분무부는 유입구로부터 연장되는 노즐부, 및 이 노즐부와 혼합예열부와의 경계면에 위치한 핀홀을 구비한다.
또한, 혼합예열부는 분무된 연료 및 물의 퍼짐을 위한 공간이 구비되는 완충부, 및 이 완충부에서 연장되는 채널을 구비하며 채널을 통과하는 연료 및 물을 예열하는 예열부를 포함한다.
또한, 상술한 개질 장치는 개질반응부에서 나오는 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 일정 농도 이하로 저감시키는 일산화탄소 저감부를 추가적으로 포함한다. 또한, 상술한 개질 장치는 일산화탄소 저감부의 온도 제어를 위한 열교환부를 추가적으로 포함한다.
또한, 상술한 개질 장치는 연소열을 발생시켜 개질 장치에 열을 공급하는 열원부를 추가적으로 포함한다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 부탄을 주성분으로 하는 연료 및/또는 물을 일정 압력으로 공급하는 연료공급장치; 연료공급장치에 결합된 유입구를 통해 유입되는 연료 및 물을 분무하는 분무부와, 분무된 연료 및 물을 혼합하고 예열하는 혼합예열부, 및 혼합예열부에 결합되며 내부에 위치한 개질 촉매층의 개질 반응을 통해 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질반응부를 구비한 개질 장치; 그리고 개질 장치에 결합되며 개질 가스와 산화제를 전기화학으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 적어도 하나의 연료 전지를 구비한 전기발생부를 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다.
바람직하게, 개질 장치는 상술한 제1 실시예에 따른 개질장치이다.
또한, 상술한 연료전지 시스템은 부탄을 함유한 연료에서 유기 황화합물을 제거하는 탈황 장치를 포함한다. 또한, 연료전지는 고분자 전해질막을 구비한 고분자 전해질형 연료전지를 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 결합되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 결합되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 요소를 사이에 두고 결합되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 이하의 설명에서 연료라 함은 메탄올이나 천연 가스, 부탄과 같이 수소를 함유한 협의(狹義)의 연료 이 외에, 광의(廣義)의 연료로서 물 및 산소가 더욱 포함된다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 협의의 연료로 정의한다. 그리고 도면에서 각 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면상에서 동일 부호는 유사하거나 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 개질 장치를 채용한 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 부탄 연료와 물을 효과적으로 혼합하여 촉매 열화를 방지하고 개질 효율을 향상시킬 수 있는 개질 장치를 이용하여 수소가 풍부한 개질 가스와 공기 중의 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 생산한다. 이를 위해, 연료전지 시스템은 연료공급장치(100), 연료전지(200) 및 개질 장치(300)를 포함한다.
보다 구체적으로 설명하면, 연료공급장치(100)는 연료와 물을 개질 장치(300)에 공급하며, 연료저장용기(110), 부착 장치(120), 탈황 장치(130) 및 물공급장치(140)를 포함한다.
연료저장용기(110)는 부탄을 주성분으로 하는 연료를 일정 압력으로 저장하는 압력용기를 포함한다. 연료저장용기(110)에는 부탄이 일정 압력에 의해 액상으로 압축 저장되어 있다. 따라서, 연료저장용기(110)는 용기 주위에 있는 기상 물질의 응축열을 빼앗아 부탄을 함유한 연료를 방출시킨다. 이러한 연료저장용기(110)로는 현재 시중에 판매되고 있는 부탄캔을 간편하게 사용할 수 있다. 이 경우, 연료저장용기(110)에는 부탄을 함유한 연료의 방출을 위한 방출 밸브(112)가 일체로 구비되어 있다. 또한, 연료저장용기(110)는 얇은 주석도금강판을 붙여 만들어지고, 약 15㎏/㎠의 내부 압력을 갖는다. 그리고 부탄을 함유한 연료는 소정량의 프로판이나 부취제가 첨가된 연료를 포함한다.
부착 장치(120)는 연료저장용기(110)의 결합시 방출 밸브(112)를 일정 압력으로 눌러 연료저장용기(110)에서 부탄을 함유한 연료가 방출되도록 한다. 부착 장치(120)는 연료저장용기(110)의 방출 밸브(112)가 눌려진 상태에서 연료저장용기(110)와 고정 결합한다. 이 경우, 연료저장용기(110)와 부착 장치(120)에는 나사 결합 구조나 걸림턱 구조 등과 같은 상호 결합 구조가 구비된다.
또한, 부착 장치(120)는 연료저장용기(110)가 결합된 상태에서 연료저장용기(110)에 저장된 부탄을 함유한 연료의 방출을 차단하거나 연료 방출량을 제어할 수 있는 제어 밸브(122)를 구비할 수 있다. 또한, 부착 장치(120)는 예컨대 연료저장 용기(110)의 내부 압력이 5㎏/㎠ 이상, 7㎏/㎠ 이하에서 연료저장용기(110)가 이탈되도록 하는 압력감지 안전수단을 구비할 수 있다.
탈황 장치(130)는 개질 장치(300)나 연료전지(200) 내의 촉매 열화를 발생시키는 황 성분을 제거하기 위한 장치이다. 즉, 탈황 장치(130)는 연료저장용기(110)로부터 개질 장치(300)로 공급되는 연료에 함유된 유기 황화합물을 제거한다. 예를 들면, 탈황 장치(130)의 탈황 물질로는 ZnO계 또는 Cu/Zn계 물질을 이용할 수 있다. 그 외에 탈황 장치(130)에는 활성탄과 같은 흡착제를 사용하는 탈황 방식이나, 금속 및 금속 산화물 촉매를 사용한 탈황 방식, 또는 350~400℃ 온도 분위기에서 소정의 수소와 천연 가스를 유기 황화합물과 반응시켜 황화수소를 생성한 후 흡착하는 탈황 방식 등이 적용될 수 있다.
또한, 연료저장용기(110) 및/또는 탈황 장치(130)와 개질 장치(300)와의 사이에는 제1 배관(150)이 결합되고, 제1 배관(150) 상에 제어 밸브(132)가 설치된다. 이 제어 밸브(132)는 연료공급장치(100)로부터 개질 장치(300)로 공급되는 연료의 공급량을 보다 정밀하게 조절하기 위한 것이다. 또한, 이 제어 밸브(132)는 부착 장치(120)의 제어 밸브(122)와 유사한 역활을 한다. 따라서, 이들 두 제어 밸브(122, 132) 중 어느 하나는 생략가능하다.
물공급장치(140)는 물을 개질 장치(300) 등에 공급한다. 물공급장치(140)는 물을 저장하는 물저장용기(142)를 구비한다. 또한, 물공급장치(140)는 일정 압력으로 물저장용기(142)에 저장된 물을 방출하는 펌프(P)를 구비할 수 있다. 물저장용기(142)와 개질 장치(300)와의 사이에는 제2 배관(152)이 결합된다. 제2 배관(152) 상에는 또 다른 제어 밸브(144)가 설치될 수 있다. 이 제어 밸브(142)는 물저장용기(142)로부터 개질 장치(300)로 공급되는 물의 방출량을 조절하기 위한 것으로, 펌프에서 이 역활을 담당하는 경우, 생략가능하다. 그리고 물저장용기(142)에 저장된 물을 개질 장치(300)로 이송하는 제2 배관(152)은 제1 배관(150)에 결합된다. 이때, 제2 배관(152)을 통해 이송되는 물은 제2 배관(152)에 결합된 열교환기나 노즐부 등에 의해 작은 물방울이나 수증기 형태로 제1 배관(150)에 분무될 수 있다.
연료전지(200)는 개질 가스에 함유된 풍부한 수소와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다. 그리고, 연료전지(200)는 미반응 연료와 반응 생성물을 유출시킨다. 여기서, 연료전지(200)에 산소를 공급하는 방법은 공기 펌프 등을 이용하여 공기 중의 산소를 공급하는 방법 이외에 압축 용기에 저장된 순수한 산소 가스를 직접 공급하는 방법 등이 있다. 본 실시예에서 연료전지(200)는 전기에너지를 발생시키는 전기발생부로서 기능한다.
상술한 연료전지(200)로는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질형 연료전지를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 연료전지(200)는 고분자 전해질막을 보호하고 운전 효율을 향상시키기 위하여 고분자 전해질막에 적절한 수분을 공급하는 가습 장치를 구비할 수 있다.
개질 장치(300)는 연료공급장치(100)에서 공급되는 부탄을 함유한 연료에서 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시킨다. 그리고 발생된 개질 가스에 함유된 유해물질, 예컨대, 일산화탄소를 저감시킨다. 이때, 개질 장치(300)는 수증기 개질반응부를 포함하고, 수증기 개질반응부의 성능을 향상시키고 촉매의 열화를 방지하기 위 하여 연료와 물을 효과적으로 혼합하기 위한 분무부 등을 구비한다. 이러한 개질 장치(300)에 관하여는 아래의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 언급될 것이다.
도 2는 도 1의 연료전지 시스템에 채용가능한 연료전지를 설명하기 위한 개념도이다. 도 2의 연료전지는 고분자 전해질막을 구비한 고분자 전해질형 연료전지를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 고분자 전해질형 연료전지(200a)는 고분자 전해질막(201)을 중심으로 양쪽에 다공질의 애노드와 캐소드가 부착되어 있는 형태로 이루어져 있다. 보다 구체적으로, 고분자 전해질형 연료전지(200a)는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자 전해질막(201)과, 고분자 전해질막(201)의 양측에 부착되며 소위 산화전극 또는 연료극으로 불리우는 애노드 전극(202)과 환원전극 또는 공기극으로 불리우는 캐소드 전극(203)을 구비한다. 애노드 전극(202)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가 일어나고, 캐소드 전극(203)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 발생되는 전자의 이동으로 인해 전기 에너지가 발생된다. 각 전극에서의 반응식과 총 반응식을 다음과 같다.
애노드 : H2(g) → 2H+ + 2e-
캐소드 : 1/2O2(g) + 2H+ + 2e- → H2O(l)
총 반응식 : H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(l)
또한, 고분자 전해질형 연료전지는 스택(stack)을 구성하기 위한 분리판(separator)(미도시)을 구비할 수 있다. 연료전지 스택은 고분자 전해질막(201)의 양측에 애노드 전극(202)과 캐소드 전극(203)이 부착된 막-전극 어셈블리(membrane-electrode Assembly, MEA)와 분리판으로 이루어지는 단위전지(single cell)를 수십, 수백개씩 적층하여 구성된다.
상술한 고분자 전해질형 연료전지는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 특성이 있다. 그리고 다양한 범위의 출력을 낼 수 있기 때문에 무공해 차량의 동력원, 현지설치형 발전 장치, 이동용 전원 등의 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 개질 장치(300)는 유입되는 연료와 물을 일정 비율로 잘 혼합하여 개질 촉매의 열화를 방지하고 개질 성능을 향상시킨다. 이를 위해, 개질 장치(300)는 분무부(310), 완충부(320), 예열부(330), 개질반응부(340), 일산화탄소 저감부(350), 열원부(360) 및 열교환부(370)를 포함한다.
분무부(310)는 외부로부터 유입되는 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 완충부(320)에 분무한다. 완충부(320)는 분무된 연료 및 물이 균일하게 잘 혼합되도록 하 는 소정 크기의 공간부로 이루어진다. 완충부(320)에서 혼합된 연료 및 물은 예열부(330)의 채널을 통과하면서 예열된 후 개질반응부(340)로 공급된다. 이때, 예열부(330)에는 열원부(360)로부터 적절한 열이 가해진다.
개질반응부(340)는 개질 촉매의 수증기 개질 반응에 의해 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시킨다. 다시 말해서, 개질반응부(340)는 열원부(360)에서 발생되는 열 에너지를 흡열하여 혼합 연료의 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 반응을 통해 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다.
이때, 개질반응부(340)에서는 분무부(310), 완충부(320) 및 예열부(330)를 통해 연료와 물이 일정 비율로 잘 혼합된 혼합 연료를 받으므로 촉매의 열화를 최소화하면서 성능 좋은 개질 반응을 구현할 수 있다. 여기서, 일정 비율로 혼합된 연료와 물은 예컨대 도 1의 제어 밸브들(132, 144)에 의해 원하는 일정 비율로 조절될 수 있다.
개질 반응부(340)의 개질 촉매는 개질기 본체를 이루는 하우징의 내부 공간에 충전되며, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 담체에 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt)과 같은 촉매 물질을 담지하고 있는 구조로 이루어진다. 개질 촉매로는 Ru/Al2O3 및 Ru/ZrO2 촉매가 사용될 수 있다.
일산화탄소 저감부(350)는 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 일정 함량 이하로 저감시킨다. 효과적으로 일산화탄소 농도를 저감시키기 위하여, 일산화탄소 저감부(350)는 2단계 구성으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 수성가스 전환(water gas shift, WGS) 반응과 선택적 산화(preferential CO oxidation, PROX) 반응을 위한 반응부를 구비할 수 있다. 이 경우, 각 반응부의 반응 온도는 열교환기에 의해 적절한 온도로 제어된다.
열원부(360)는 수증기 개질 반응 등에 필요한 열 에너지를 발생시키고, 발생된 열 에너지를 개질 장치(300)의 각 반응부에 공급한다. 이때, 열원부(360)는 외부로부터 부탄 등의 연료와 공기를 받고 이를 화학 촉매 반응이나 버너 등의 화염에 의한 열 에너지로 변환하여 개질 장치에 공급한다. 화학 촉매 반응 구조의 경우, 열원부(360)는 산화 촉매에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어지고, 연료 점화를 위한 점화기를 구비할 수 있다. 그리고 열원부(360)는 평판 형태나 기둥 형태 또는 원통 형태 등으로 개질 장치에 일체로 결합될 수 있다.
열교환부(370)는 일산화탄소 저감부(350) 또는 일산화탄소 저감부(350)에 유입되는 개질 가스의 온도를 제어하기 위해 설치되는 열교환 장치를 포함한다. 예컨대, 열교환부(370)는 냉각 물펌프 및/또는 냉각 팬 등을 포함한다. 이러한 열교환부(370)는 부탄을 주성분으로 하는 연료를 개질하는 개질 장치와 같이 개질반응부(340)와 일산화탄소 저감부(350)의 반응온도 차이가 큰 경우에 일산화탄소 저감부(350)의 반응 온도를 적절하게 조절하기 위해 사용된다. 또한, 열교환부(370)는 일산화탄소 저감부(350)로 유입되는 개질 가스의 온도를 검출하기 위한 센서와 이 센서의 검출값에 따라 열교환 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
예를 들면, 열교환부(370)는 일산화탄소 저감부(350)가 개질반응부(340)에 인접하게 설치되어 개질반응부(340)의 높은 반응온도로 인해 적절한 반응온도보다 높은 온도를 나타낼 때, 일산화탄소 저감부(350) 또는 일산화탄소 저감부(350)에 유입되는 개질 가스의 온도를 낮추어 적절한 반응온도에서 일산화탄소 저감부(350) 내의 촉매가 좋은 성능으로 일산화탄소를 저감시킬 수 있도록 한다.
도 4는 도 3의 개질 장치의 주요 부분를 나타내는 도면이다. 도 4에서 개질 장치의 주요 부분은 평판형 개질기의 하나의 플레이트(301) 상에 형성되어 있다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 개질 장치는 개질반응부로 공급되는 연료와 물을 매우 균일하게 잘 혼합할 수 있도록 이루어진다. 이를 위해, 개질 장치는 분무부(310)와 완충부(320) 및 예열부(330)를 구비한다. 여기서, 완충부(320)와 예열부(330)는 연료 및 물을 혼합하고 예열하는 혼합예열부를 구성한다.
구체적으로, 분무부(310)는 유입구(312)와 노즐부(314)를 구비한다. 노즐부(314)는 유입구(312)의 단면적/직경보다 작은 단면적/직경을 갖는다. 노즐부(314)의 말단부는 핀홀(pin hole)과 같은 작은 구멍(316)이 형성되어 있다. 본 실시예에서 분무부(310)는 개질기 본체 내부에 설치되며, 유입구(312)에는 위에서 설명한 바와 같이 물을 이송하는 제2 배관과 결합되어 부탄을 함유한 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 이송하는 제1 배관의 일단이 결합된다. 상술한 분무부(310)의 구성에 의하면, 일정 압력에 의해 공급되는 연료 및 물이 분무부(310)를 통해 완충부(320) 내부로 분무된다. 여기서, 일정 압력으로는 부탄을 함유한 연료를 액상으로 저장하는 압축저장용기의 연료 방출 압력을 적절하게 이용할 수 있다.
완충부(320)는 분무부(310)에서 분무된 연료 및 물이 매우 균일하게 잘 혼합될 수 있도록 이들 연료와 물이 퍼지는 공간(322)을 구비한다. 완충부(320)는 타원 형상의 공간이 일단의 개구부를 통해 예열부(330)의 채널(332) 일단에 연결된다.
예열부(330)는 연료와 물이 더욱 잘 혼합될 수 있도록 하면서 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 일정 온도로 예열한다. 예열부(330)는 개질반응부를 통과할 혼합 연료가 자연스럽게 개질반응부의 개질 촉매에 의해 반응할 수 있도록 채널(332)을 통과하는 혼합 연료를 적절히 예열한다. 채널(332)은 예열부(330)의 구조 및 형태에 따라 구불구불한 형상 이외에 임의의 다른 형상과 구조를 가질 수 있다. 예열부(330)의 채널(332) 타단은 홀(334) 등을 통해 개질반응부에 연결된다.
상술한 구성에 의하면, 부탄을 저장한 연료저장용기의 압력을 이용하여 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 개질 장치 내에 분무하고, 그것에 의해 연료와 물이 매우 균일하게 혼합될 수 있도록 함으로써, 개질 촉매의 열화를 억제하면서 개질 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 간단한 구조로 촉매의 열화를 방지하면서 개질 성능을 향상시킬 수 있는 부탄 연료 개질용 개질 장치를 제공할 수 있다.
한편, 상술한 실시예에서 분무부는 유입구에서 연장되는 복수개의 노즐부를 구비할 수 있다. 또한, 상술한 실시예에서는 예열부를 별도로 구성하였지만, 본 발명은 별도의 예열부를 구비하지 않고, 완충부가 예열부의 기능을 하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 완충부는 혼합예열부가 되며 완충부의 영역에까지 좀더 넓게 형성된다.
도 5는 도 3의 개질 장치를 평판형 개질기로 제작한 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 평판형 개질기(400)는 개질 플레이트(440)를 중간에 두고 개질 플레이트(440)의 양측에 제1 및 제2 연소 플레이트(430, 430a), 제1 및 제2 분배 플레이트(420, 420a), 그리고 제1 및 제2 혼합 플레이트(410, 410a)가 순차적으로 적층된 구조로 형성되어 있다. 각 플레이트는 예컨대 알루미늄으로 제작된다.
제1 및 제2 혼합 플레이트(410, 410a)에는 외부로부터 유입되는 부탄과 물을 개질기 내부로 분무하는 분무부(412, 412a)와, 분무된 연료와 물이 퍼지는 공간이 구비된 완충부(414, 414a)와, 완충부(414, 414a)와 개질반응부(450)을 연결하는 채널(미도시)을 구비하고 이 채널을 통과하는 연료와 물을 예열하는 예열부(416, 416a)가 위치한다. 여기에서, 분무부(412, 412a), 완충부(414, 414a) 및 예열부(416, 416a)는 앞서 도 4를 참조하여 설명한 각 구성과 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다.
제1 및 제2 분배 플레이트(420, 420a)는 일단에서 유입되는 공기를 제1 및 제2 연소 플레이트(430, 430a)에 공급한다. 제1 및 제2 분배 플레이트(420, 420a)는 공기가 통과하는 복수개의 홀(422, 422a)을 구비하고, 홀(422, 422a)의 분포 위치와 직경을 변화시켜 원하는 온도 구배를 조절한다.
제1 및 제2 연소 플레이트(430, 430a)는 일단에서 유입되는 연소 연료, 예컨대, 메탄올이나 부탄과 같은 연료를 연소시켜 열을 발생시킨다. 부탄을 연료로 이용하는 경우, 제1 및 제2 연소 플레이트(430, 430a)에는 점화기가 추가로 설치될 수 있다. 발생된 열은 제1 및 제2 연소 플레이트(430, 430a)에 적층되어 있는 개질 플레이트(440)와 제1 및 제2 혼합 플레이트(410, 410a)에 전달된다.
개질 플레이트(440)는 제1 및 제2 관통홀(442, 442a)를 통해 제1 및 제2 혼합 플레이트(410, 410a)에 연결된다. 개질 플레이트(440)에는 개질 촉매로 구성된 개질반응부(450)가 위치한다. 개질반응부(450)는 제1 및 제2 혼합 플레이트(410, 410a)를 통과하여 유입되는 혼합 연료로부터 개질 촉매의 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시킨다.
한편, 본 실시예에 따른 평판형 개질기에서는 일산화탄소 저감부가 생략된 구조로 이루어져 있다. 일산화탄소 저감부는 별도로 제작되어 상술한 평판형 개질기에 간단히 결합될 수 있다.
상술한 구성에 의하면, 분무부에 의해 혼합 연료를 분무하여 혼합 연료가 더욱 잘 혼합되도록 함으로써, 개질 촉매의 열화를 억제하면서 개질 성능을 향상시킬 수 있는 개질 장치가 제공된다. 이러한 평판형 개질기는 도 1을 참조하여 언급한 연료전지 시스템의 개질장치나 도 3을 참조하여 언급한 개질 장치에 용이하게 적용할 수 있다.
한편, 상술한 개질 장치는 상술한 실시예의 평판형 개질기 구조 이외에 예를 들어 평판형 개질기를 둥글게 말은 형태의 원통형 개질기 구조에 용이하게 적용될 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분 야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
본 발명에 의하면, 부탄을 함유한 연료를 공급하는 연료저장용기의 연료 방출 압력을 이용하여 개질 장치 내에 간단한 구조의 분무부를 형성하고, 그것에 의해 연료와 물을 개질 장치 내에 분무함으로써, 연료와 물의 혼합 상태를 매우 균일하게 할 수 있다. 따라서, 개질 촉매의 열화를 방지하고 개질 장치의 성능을 향상시킬 수 있다. 아울러, 부탄 연료를 이용하는 연료전지 시스템에 용이하게 적용할 수 있는 소형화된 평판형 개질기를 제공할 수 있다.

Claims (17)

  1. 유입구를 통해 유입되는 연료 및 물을 분무하는 분무부;
    상기 분무된 연료 및 물을 혼합하고 예열하는 혼합예열부; 및
    상기 혼합예열부에 결합되며, 내부에 위치한 개질 촉매층의 개질 반응을 통해 상기 혼합예열부를 통과하는 상기 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질반응부를 포함하는 개질 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분무부는 상기 유입구로부터 연장되는 노즐부, 및 상기 노즐부와 상기 혼합예열부와의 경계면에 위치한 핀홀을 구비하는 개질 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합예열부는, 상기 분무된 연료 및 물의 퍼짐을 위한 공간이 구비되는 완충부; 및 상기 완충부에서 연장되는 채널을 구비하며 상기 채널을 통과하는 상기 연료 및 물을 예열하는 예열부를 포함하는 개질 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질반응부에서 나오는 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 일정 농도 이하로 저감하는 일산화탄소 저감부를 추가적으로 포함하는 개질 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 일산화탄소 저감부의 온도 제어를 위한 열교환부를 추가적으로 포함하는 개질 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연소열을 발생시켜 상기 개질 장치에 열을 공급하는 열원부를 추가적으로 포함하는 개질 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 개질 장치는 상기 개질반응부와 상기 열원부를 서로 적층하여 열교환을 시키는 평판형 개질기 또는 상기 개질반응부가 상기 열원부의 주위를 둘러싸는 원통형 개질기인 개질 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료는 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소계 연료인 개질 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개질 촉매층은 Ru/Al2O3 및 Ru/ZrO2 촉매 중 적어도 어느 하나로 이루어 지는 개질 장치.
  10. 부탄을 주성분으로 하는 연료 및 물을 일정 압력으로 공급하는 연료공급장치;
    상기 연료공급장치에 결합된 유입구를 통해 유입되는 연료 및 물을 분무하는 분무부와, 상기 분무된 연료 및 물을 혼합하고 예열하는 혼합예열부, 및 상기 혼합예열부에 결합되며, 내부에 위치한 개질 촉매층의 개질 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질반응부를 구비한 개질 장치; 및
    상기 개질 장치에 결합되며, 상기 개질 가스와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 연료전지를 구비한 전기발생부를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 분무부는 상기 유입구로부터 연장되는 노즐부, 및 상기 노즐부와 상기 혼합예열부와의 경계면에 위치한 핀홀을 구비하는 연료전지 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 혼합예열부는, 상기 분무된 연료 및 물의 퍼짐을 위한 공간이 구비되는 완충부; 및 상기 완충부에서 연장되는 채널을 구비하며 상기 채널을 통과하는 상기 연료 및 물을 예열하는 예열부를 포함하는 연료전지 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 개질 장치는 상기 개질반응부에서 나오는 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 일정 농도 이하로 저감하는 일산화탄소 저감부를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 일산화탄소 저감부의 온도 제어를 위한 열교환부를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 개질 장치는 연소열을 발생시켜 상기 혼합예열부 및 상기 개질반응부에 열을 공급하는 열원부를 추가적으로 구비하는 연료전지 시스템.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 부탄을 함유한 연료에서 유기 황화합물을 제거하는 탈황 장치를 추가적으로 구비하는 연료전지 시스템.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료전지는 고분자 전해질막을 이용하는 고분자 전해질형 연료전지인 연료전지 시스템.
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