KR20070025160A - Plate type reformer and fuel cell system having same - Google Patents

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이동윤
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Abstract

A plate type reformer and a fuel cell system having the same are provided to improve the reaction efficiency between reacting units, and appropriately control a reaction temperature of each reacting unit even in case that a gap of a reacting temperature between reacting units is big. Combustion reacting units(31,32) have an oxidation catalyst layer on the inside, and generate thermal energy by making a combustion fuel react with an oxidizer. A reforming reacting unit(33) has a reforming catalyst layer on the inside, and generates reforming gas having affluent hydrogen from a reforming fuel through a reforming reaction by thermal energy of the reforming reacting unit. Heat distributing plates(41,42,43) are inserted into spaces between the combustion reacting units and the reforming reacting unit, and have thermal conductivity higher than housings of the combustion reacting units and the reforming reacting unit. A preheating unit(34) has a channel for receiving the reforming fuel and water, and preheats the reforming fuel and the water by thermal energy of the combustion reacting unit. A heat cut-off plate is inserted into a space between the preheating unit and the combustion reacting units, having thermal conductivity lower than a housing of the preheating unit.

Description

평판형 개질기 및 이를 채용한 연료전지 시스템{Plate type reformer and fuel cell system having same}Plate type reformer and fuel cell system having same

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 평판형 개질기를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a flat plate reformer according to a first embodiment of the present invention.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 평판형 개질기에 설치되는 열분배판을 설명하기 위한 분해사시도이다.2A and 2B are exploded perspective views illustrating a heat distribution plate installed in the plate reformer of FIG. 1.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 평판형 개질기를 나타내는 도면이다.3 is a view showing a plate reformer according to a second embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 평판형 개질기를 나타내는 도면이다.4 is a view showing a plate reformer according to a third embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 평판형 개질기를 채용한 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.5 is a block diagram showing a fuel cell system employing a flat reformer according to the present invention.

도 6은 도 5의 연료전지의 채용가능한 고분자 전해질막을 이용하는 고분자 전해질형 연료전지를 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 6 is a conceptual view illustrating a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane employable of the fuel cell of FIG. 5.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 평판형 개질기 11 : 연소 반응부10: plate type reformer 11: combustion reaction part

13 : 개질 반응부 20a, 20b : 덮개13: reforming reaction unit 20a, 20b: cover

21 : 열분배판21: heat distribution plate

본 발명은 반응 촉매가 적절한 반응온도에서 반응할 수 있도록 각 반응부의 온도를 효과적으로 조절할 수 있는 평판형 개질기 및 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a flat type reformer capable of effectively controlling the temperature of each reaction part so that the reaction catalyst can react at an appropriate reaction temperature, and a fuel cell system employing the same.

연료 전지는 연료 에너지를 직접 전기에너지로 바꾸는 저공해 고효율의 에너지원이다. 연료전지는 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 이용한다. 즉, 연료전지는 애노드(anode)에서 발생한 전자를 전기 에너지로 이용하고 이때 수소 이온은 전해질을 통과하여 캐소드의 산소와 반응하여 물을 생성하도록 동작한다. 이러한 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.A fuel cell is a low pollution, high efficiency energy source that converts fuel energy directly into electrical energy. Fuel cells basically use an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. That is, the fuel cell uses electrons generated from the anode as electrical energy, and hydrogen ions pass through the electrolyte and react with oxygen of the cathode to generate water. Such fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, alkali fuel cells, and the like, depending on the type of electrolyte used. Each of these fuel cells basically operates on the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

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 가진 다.Among them, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) have significantly higher output characteristics, lower operating temperatures, and faster startup and response characteristics than other fuel cells. It has a wide range of applications, such as transportable power sources such as transportable power sources and automotive power sources, as well as distributed power sources such as stationary power plants in houses and public buildings.

수소는 연료 전지의 애노드 전극에서 일어나는 전기화학적 산화 반응에 있어서 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.Hydrogen is most suitable for the fuel cell fuel because it is the most reactive in the electrochemical oxidation reaction occurring at the anode electrode of the fuel cell and does not generate pollutants by generating water after reacting with oxygen. However, since hydrogen is hardly present in its natural state, it is obtained by reforming from other raw materials. For example, hydrogen can be obtained from hydrocarbon-based fuels such as gasoline, diesel, methanol, ethanol, natural gas and the like.

연료 개질기(이하 개질기)는 탄화수소 계열의 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 장치이다. 이러한 개질기는 개질 방식에 따라 탄화수소의 분해, 수증기 개질, 부분 산화, 자열 개질 등의 방식의 개질기로 분류된다. 그 가운데, 수증기 개질 방식의 개질기는 탄화수소 연료와 수증기의 반응으로 고농도의 수소를 얻을 수 있어 연료전지의 출력을 높일 수 있는 장점을 가지고 있다.A fuel reformer (hereinafter, referred to as a reformer) is a device for generating hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel. Such reformers are classified into reformers of hydrocarbon decomposition, steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming, and the like according to reforming methods. Among them, the reformer of the steam reforming method has the advantage of increasing the output of the fuel cell by obtaining a high concentration of hydrogen by the reaction of the hydrocarbon fuel and steam.

또한, 개질기는 개질 과정에서 일산화탄소, 이산화탄소 등의 부산물을 발생시키는데, 이러한 부산물은 연료전지의 종류에 따라 유해물질로 작용할 수 있다. 예를 들면, 고분자 전해질형 연료전지나 알카리형 연료전지 등의 저온형 연료전지에서는 일산화탄소가 연료극을 피독하는 물질로 작용한다. 따라서, 저온형 연료전지용 개질기에서는 일산화탄소를 일정 농도 이하로 제거해야 한다. 예컨대, 수증기 개질 방식의 개질기에서는 일산화탄소의 농도를 10ppm 이하로 감소시켜야 한다. 게다가, 개질연료로서 사용되는 화석 연료에는 황이 포함되어 있는데, 그것은 대부분의 연료전지의 성능을 저하시키는 유해물질로 기능하기 때문에 연료 개질과정이나 그 이전 단계에서 제거되어야 한다.In addition, the reformer generates by-products such as carbon monoxide and carbon dioxide during the reforming process, and these by-products may act as harmful substances depending on the type of fuel cell. For example, in low temperature fuel cells such as polymer electrolyte fuel cells and alkaline fuel cells, carbon monoxide acts as a poisoning material for the anode. Therefore, in the reformer for low temperature fuel cells, carbon monoxide should be removed at a predetermined concentration or less. For example, in a steam reforming reformer, the concentration of carbon monoxide should be reduced to 10 ppm or less. In addition, fossil fuels used as reforming fuels contain sulfur, which acts as a hazardous substance that degrades the performance of most fuel cells and must be removed during or after the fuel reforming process.

한편, 개질기의 각 반응부는 설치되는 각각의 반응 촉매에 따라 요구되는 반응온도 범위가 서로 다르다. 예를 들면, 수증기 개질(steam reforming, SR) 반응의 반응온도 범위는 개질 원료의 종류에 따라 다른데, 부탄 등의 탄화수소계 연료일 때는 대략 600℃ 내지 900℃이고, 메탄올 연료일 때는 대략 250℃ 내지 400℃이다. 일산화탄소를 제거하기 위한 공정 중의 하나인 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℃이다. 이와 같이, 개질기의 각 반응부의 반응온도 범위는 개질 반응부, 수성가스 전환부, 선택적 산화부 순으로 반응온도 대역이 낮아진다. 따라서, 각 반응부는 각각의 반응온도 범위의 온도 분위기를 갖도록 제어될 필요가 있다.On the other hand, the reaction temperature range required for each reaction unit of the reformer is different from each reaction catalyst to be installed. For example, the reaction temperature range of steam reforming (SR) reaction varies depending on the type of reforming raw material, and is about 600 ° C. to 900 ° C. for hydrocarbon fuels such as butane and about 250 ° C. to methanol for methanol fuel. 400 ° C. The reaction temperature range of the water gas shift (WGS) reaction, which is one of the processes for removing carbon monoxide, is approximately 200 ° C. to 350 ° C., and the reaction temperature range of the selective CO oxidation (PROX) reaction is about 100 ° C. To 250 ° C. As described above, the reaction temperature range of each reactor in the reformer is lowered in the order of the reforming reactor, the water gas conversion unit, and the selective oxidation unit. Therefore, each reaction part needs to be controlled to have a temperature atmosphere of each reaction temperature range.

특히, 위에 기술한 바와 같이, 부탄을 포함한 연료를 개질하는 개질기에서는 메탄올 연료를 개질하는 개질기보다 각 반응부의 반응온도 차이가 커서 각 반응부의 반응온도를 적절히 제어하기 어렵다. 게다가, 각 반응부가 평판 형상으로 제작되고 적층 설치되는 평판형 구조의 개질기에서 부탄을 포함한 연료를 사용하는 경우 즉, 평판형 개질기에서의 탄화수소의 수증기 개질은 개질 반응부와 일산화탄소 저감부, 예컨대, 수성가스 전환부 및 선택적 산화부가 연속적으로 적층되기 때문에, 이들 반응부의 반응온도 차이가 커서 반응온도를 제어하기가 더욱 어렵다.In particular, as described above, in the reformer reforming a fuel containing butane, the reaction temperature difference between each reaction section is larger than that of the methanol fuel reformer, so that it is difficult to properly control the reaction temperature of each reaction section. In addition, in the case of using a fuel containing butane in a reformer having a flat plate structure in which each reaction unit is manufactured in a flat shape and stacked, that is, steam reforming of hydrocarbons in the flat reformer is carried out in the reforming reaction unit and the carbon monoxide reducing unit, such as aqueous solution. Since the gas switching unit and the selective oxidizing unit are successively stacked, the reaction temperature difference between these reaction units is large, making it more difficult to control the reaction temperature.

본 발명의 목적은 연소 반응부의 반응열을 개질 반응부에 효과적으로 전달하면서 각 반응부의 반응 온도 구배를 용이하게 조절할 수 있는 평판형 개질기를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a planar reformer capable of easily controlling the reaction temperature gradient of each reaction section while effectively transferring the reaction heat of the combustion reaction section to the reforming reaction section.

본 발명의 또 다른 목적은 각 반응부의 반응 온도를 효율적으로 조절할 수 있는 구조를 채용하여 부탄을 주성분으로 하는 연료를 수증기 개질할 수 있는 평판형 개질기를 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide a flat type reformer capable of steam reforming a fuel containing butane as a main component by employing a structure capable of efficiently adjusting the reaction temperature of each reaction unit.

본 발명의 또 다른 목적은 상술한 평판형 개질기를 이용하여 전체 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of compactly implementing the size of the entire system by using the aforementioned flat type reformer.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 내부에 산화 촉매층이 위치하며, 연소연료와 산화제와의 반응에 의해 열에너지를 발생시키는 연소 반응부와, 내부에 개질 촉매층이 위치하며, 연소 반응부의 열에너지에 의한 개질 반응을 통해 개질연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 발생시키는 개질 반응부와, 연소 반응부와 개질 반응부와의 사이에 삽입설치되며, 연소 반응부 및 개질 반응부의 하우징보다 열전도율이 높은 열분배판과, 개질 가스에 함유된 유해물질을 제거하는 유해물질 제거부, 예컨대, 일산화탄소 저감부, 그리고 예열부와 일산화탄소 저감부와의 사이에 삽입설치되며, 예열부와 일산화탄소 저감부의 하우징보다 열전도율이 낮은 열차단판을 포함하는 평판형 개질기가 제공된다.In order to achieve the above object, according to the first embodiment of the present invention, an oxidation catalyst layer is located therein, a combustion reaction part generating thermal energy by reaction of a combustion fuel and an oxidant, and a reforming catalyst layer is located therein. And a reforming reaction unit for generating hydrogen-rich reformed gas from the reformed fuel through the reforming reaction by the thermal energy of the combustion reaction unit, and inserted between the combustion reaction unit and the reforming reaction unit, and the combustion reaction unit and the reforming reaction unit. It is installed between the heat distribution plate with higher thermal conductivity than the housing, and the harmful substance removal unit for removing harmful substances contained in the reformed gas, for example, carbon monoxide reduction unit, and between the preheating unit and carbon monoxide reduction unit, and reducing the preheating unit and carbon monoxide reduction unit. A flat type reformer is provided that includes a thermal barrier plate having a lower thermal conductivity than a negative housing.

바람직하게, 서로 마주하며 접합되는 연소 반응부와 개질 반응부 및 연소 반 응부와 예열부의 두 면 중 적어도 어느 하나의 면에는 열분배판과 열차단판이 각각 삽입되는 오목부가 설치된다. 또한, 연소 반응부 및 개질 반응부의 하우징은 알루미늄 및 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 중 어느 하나로 이루어진다. 열분배판은 구리, 은, 금, 및 이들의 합금 중 적어도 어느 하나의 재료 또는 탄소복합재료를 포함한다. 개질연료는 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소계 연료를 포함한다.Preferably, at least one of two surfaces of the combustion reaction unit, the reforming reaction unit, and the combustion reaction unit and the preheating unit facing each other is provided with a recess into which the heat distribution plate and the heat shield plate are respectively inserted. In addition, the housing of the combustion reaction section and the reforming reaction section is made of any one of aluminum and an alloy containing aluminum as a main component. The heat distribution plate comprises at least one of copper, silver, gold, and alloys thereof, or a carbon composite material. The reformed fuel includes a hydrocarbon fuel mainly composed of butane.

또한, 일산화탄소 저감부는, 수증기를 첨가하여 일산화탄소를 수소와 이산화탄소로 전환하는 수성가스 전환부와, 산화 반응으로 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 선택적 산화부를 포함할 수 있다. 또한, 수성가스 전환부 및 선택적 산화부 중 적어도 어느 하나는 반응온도 제어를 위한 열교환기를 구비할 수 있다.In addition, the carbon monoxide reduction unit may include a water gas conversion unit for converting carbon monoxide to hydrogen and carbon dioxide by adding water vapor, and a selective oxidation unit for converting carbon monoxide to carbon dioxide by an oxidation reaction. In addition, at least one of the water gas conversion unit and the selective oxidation unit may include a heat exchanger for controlling the reaction temperature.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 부탄을 함유한 개질연료 및 연소연료를 공급하는 연료공급 장치와, 개질연료를 처리하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질 장치, 그리고 개질 가스와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지를 포함하되, 개질 장치는, 연소연료와 산화제가 반응하여 열에너지를 발생시키도록 산화 촉매층이 내부에 위치하는 평판형 연소 반응부와, 연소 반응부의 열에너지에 의한 개질 반응을 통해 상기 개질연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 촉매층이 내부에 위치하는 평판형 개질 반응부와, 연소 반응부와 개질 반응부 사이에 삽입 설치되며, 연소 반응부 및 개질 반응부의 하우징보다 열전도율이 높은 열분배판과, 개질 가스에 함유된 유해물질을 제거하는 유해물질 제거부, 예컨대, 일산화탄소 저감부, 그리고 예열부와 일산화탄소 저감부와의 사이에 삽입설치되며, 예열부와 일산화탄소 저감부의 하우징보다 열 전도율이 낮은 열차단판을 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다.According to a second embodiment of the present invention, there is provided a fuel supply device for supplying reformed fuel and combustion fuel containing butane, a reforming device for processing reformed fuel to generate a hydrogen-rich reformed gas, and reforming gas and oxidant electricity The fuel cell includes a fuel cell that generates electrical energy by a chemical reaction, wherein the reforming apparatus includes a plate type combustion reaction unit in which an oxidation catalyst layer is positioned to generate combustion energy by reacting combustion fuel with an oxidant, and thermal energy of the combustion reaction unit. A reforming reaction layer having a reforming catalyst layer for generating a hydrogen-rich reforming gas from the reforming fuel therein is inserted between the combustion reforming unit and the reforming reaction unit, and the combustion reaction unit and the reforming reaction unit. Heat distribution plate with higher thermal conductivity than the housing of the reaction part, and harmful substances to remove harmful substances contained in the reformed gas Rejection, for example, a fuel cell system including a heat shield plate inserted between the preheating unit and the carbon monoxide reducing unit, and having a lower thermal conductivity than the housing of the preheating unit and the carbon monoxide reducing unit is provided.

바람직하게, 상술한 개질 장치는 위에 기술한 제1 실시예에 따른 평판형 개질기를 포함한다.Preferably, the above described reforming apparatus includes a flat plate reformer according to the first embodiment described above.

또한, 상술한 연료전지 시스템은 연료 전지의 애노드측 오프 가스를 개질연료로서 개질 장치에 공급하기 위한 배관을 추가적으로 포함할 수 있다. 또한, 상술한 연료전지 시스템은 연료 전지의 캐소드측에서 유출되는 물을 개질 장치에 공급하기 위한 순환 장치를 추가적으로 포함할 수 있다. 또한, 상술한 연료전지 시스템은 개질 장치 및 전기발생부에 물을 공급하는 물공급 장치와 공기를 공급하는 공기공급 장치를 추가적으로 포함할 수 있다. 또한, 상술한 연료전지 시스템은 연료공급 장치로부터 개질장치로 공급되는 부탄을 함유한 개질연료에서 유기 황화합물을 제거하는 탈황 장치를 추가적으로 포함할 수 있다.In addition, the above-described fuel cell system may further include a pipe for supplying the anode off-gas of the fuel cell to the reforming apparatus as reforming fuel. In addition, the fuel cell system described above may further include a circulation device for supplying the water flowing out from the cathode side of the fuel cell to the reformer. In addition, the fuel cell system described above may further include a water supply device for supplying water to the reformer and the electricity generating unit and an air supply device for supplying air. In addition, the fuel cell system described above may further include a desulfurization apparatus for removing organic sulfur compounds from the reformed fuel containing butane supplied from the fuel supply device to the reformer.

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 부탄이나 천연 가스와 같이 수소를 함유한 협의(狹義)의 연료 이 외에, 광의(廣義)의 연료로서 물 및 공기(산소)가 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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, when a part is combined with another part, this includes not only a case where the part is directly coupled, but also a case where other elements are interposed therebetween. In addition, in the following description, a fuel includes water and air (oxygen) as a broad fuel in addition to narrow fuel containing hydrogen, such as methanol, butane, and natural gas. However, the fuel described below is defined as the fuel of consultation. In the drawings, the thickness or size of each element is exaggerated for clarity and convenience of explanation. In the drawings, like reference numerals refer to similar or identical elements.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 평판형 개질기를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a flat plate reformer according to a first embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 평판형 개질기(10)는 연료전지의 애노드측 유출구에서 나오는 연료 오프 가스(연소연료) 및/또는 연료공급장치(미도시)의 일부 연료와 공기를 반응시켜 열을 발생시키고, 발생된 열을 이용하여 연료(개질연료)와 물이 혼합된 혼합 연료를 수증기 개질하여 개질 가스를 발생시킨다. 이때, 평판형 개질기(10)에서는 연소 반응부(11)와 개질 반응부(13)가 설치되는 하우징보다 높은 열전도율을 갖는 열분배판(21)을 이들 사이에 설치하여 연소 반응부(11)에서 발생된 열이 개질 반응부(13)에 효과적으로 전달되도록 하고, 그것에 의해 연소 반응부(11)의 열효율과 개질 반응부(13)의 개질 효율을 향상시킨다. 여기서, 연소 반응부(11)는 열원부가 되고, 개질 반응부(13)는 흡열부가 된다. 그리고 하우징은 플레이트 형상으로 설치된다.Referring to FIG. 1, the planar reformer 10 generates heat by reacting air with fuel off gas (combusted fuel) and / or some fuel of a fuel supply device (not shown) coming from an anode side outlet of a fuel cell. In addition, the reformed gas is generated by steam reforming the mixed fuel in which the fuel (reformed fuel) and water are mixed using the generated heat. At this time, in the plate-type reformer 10 is generated in the combustion reaction unit 11 by installing a heat distribution plate 21 having a higher thermal conductivity than the housing in which the combustion reaction unit 11 and the reforming reaction unit 13 are installed therebetween. The heat is effectively transferred to the reforming reaction unit 13, thereby improving the thermal efficiency of the combustion reaction unit 11 and the reforming efficiency of the reforming reaction unit 13. Here, the combustion reaction part 11 becomes a heat source part, and the reforming reaction part 13 becomes an endothermic part. And the housing is installed in a plate shape.

보다 구체적으로, 상술한 평판형 개질기(10)는 연소 반응부(11), 개질 반응부(13), 제1 및 제2 덮개(20a, 20b) 및 열분배판(21)을 포함한다. 그리고 평판형 개질기(10)는 각 반응부들이 설치되는 하우징들의 가장자리 부분을 접착 또는 용접 접합시킨 적층 구조로 만들어진다. 이러한 평판형 개질기(10)의 하우징은 열전도율 및 가공성이 우수한 알루미늄이나 알루미늄을 주성분으로 하는 합금으로 이루어진다.More specifically, the flat plate reformer 10 described above includes a combustion reaction unit 11, a reforming reaction unit 13, first and second lids 20a and 20b, and a heat distribution plate 21. And the plate-type reformer 10 is made of a laminated structure in which the edge portions of the housings in which the reaction units are installed are bonded or welded together. The housing of the flat plate reformer 10 is made of aluminum or an alloy containing aluminum as a main component having excellent thermal conductivity and workability.

제1 및 제2 덮개(20a, 20b)는 연소 반응부(11)와 개질 반응부(13)의 외측에 설치된다. 제1 및 제2 덮개(20a 20b)는 연소 반응부(11)에서 발생된 열이 개질 반응부(13)측으로 효과적으로 전달되도록 이들 반응부(11, 13)를 단열시킨다. 제1 덮개(20a)에는 연료 및 물의 유입을 위한 제1 유입구, 연료 오프가스의 유입을 위한 제2 유입구, 공기의 유입을 위한 제3 유입구, 배기 가스의 방출을 위한 제1 유출구, 및 개질 가스의 유출을 위한 제2 유출구가 구비된다. 여기서, 연료 오프가스로는 예컨대 연료전지에서 유출되는 미반응 연료가 포함된다.The first and second lids 20a and 20b are provided outside the combustion reaction section 11 and the reforming reaction section 13. The first and second lids 20a and 20b insulate these reaction parts 11 and 13 so that heat generated in the combustion reaction part 11 is effectively transferred to the reforming reaction part 13 side. The first cover 20a includes a first inlet for inflow of fuel and water, a second inlet for inflow of fuel offgas, a third inlet for inflow of air, a first outlet for exhaust gas, and a reformed gas A second outlet for outflow of is provided. Here, the fuel offgas includes, for example, unreacted fuel flowing out of the fuel cell.

연소 반응부(11)는 연료로서 연료전지스택 등에서 유출되는 연료 오프가스를 연소시켜 개질기(10) 전체에 열을 공급한다. 물론, 별도의 연료공급 장치 등을 통해 공급되는 연소연료가 이용될 수 있다. 또한, 연소 반응부(11)는 예를 들어 산화제가 유입된 후 고르게 분산되면서 연소연료로 공급되도록 다수개의 분배공이 형성된 분배 플레이트(미도시)와, 이 분배 플레이트의 분배공을 통해 공급되는 산화제와 연료가 반응하여 열에너지를 발생시키도록 산화 촉매층이 마련되어 있는 연소 플레이트(미도시)로 구성될 수 있다.The combustion reaction section 11 burns fuel offgas flowing out of the fuel cell stack as fuel and supplies heat to the entire reformer 10. Of course, the combustion fuel supplied through a separate fuel supply device may be used. In addition, the combustion reaction unit 11 may include, for example, a distribution plate (not shown) in which a plurality of distribution holes are formed so as to be distributed evenly after the oxidant is introduced, and the oxidant supplied through the distribution holes of the distribution plate. It may be composed of a combustion plate (not shown) provided with an oxidation catalyst layer so that the fuel reacts to generate thermal energy.

개질 반응부(13)는 촉매, 예컨대, 니켈 또는 루테늄(ruthenium)계의 촉매를 이용하는 수증기 개질 반응을 통해 연료와 물이 혼합된 혼합 연료로부터 개질 가스를 발생시킨다. 상술한 혼합 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 반응식을 나타내면 다음과 같다. 단, 메탄올이 일산화탄소와 수소로 전환되는 반응식은 생략한다.The reforming reaction unit 13 generates a reformed gas from a mixed fuel in which fuel and water are mixed through a steam reforming reaction using a catalyst, for example, a nickel or ruthenium-based catalyst. The reaction formula for generating the reformed gas from the mixed fuel described above is as follows. However, the reaction formula in which methanol is converted to carbon monoxide and hydrogen is omitted.

CH3OH + H2O ⇔ CO2 + 3H2 CH 3 OH + H 2 O ⇔ CO 2 + 3H 2

또한, 개질 반응부(13)에 삽입 설치되는 개질 촉매층은 알갱이형 촉매가 충진되어 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우, 알갱이형 촉매의 비산을 방지하기 위하여 개질 반응부(13)의 유출구에는 망상체가 구비되는 것이 더욱 바람직하다.In addition, it is preferable that the reforming catalyst layer inserted into the reforming reaction unit 13 is filled with a granular catalyst. In this case, in order to prevent the scattering of the granular catalyst, the outlet of the reforming reaction unit 13 is more preferably provided with a network.

열분배판(21)은 연소 반응부(11)와 개질 반응부(13)와의 사이에 설치된다. 열분배판(21)의 열전도율은 연소 반응부(11) 및 개질 반응부(13)가 설치되는 하우징의 열전도율보다 높다. 열분배판(21)으로는 예컨대, 연소 반응부(11) 및 개질 반응부(13)의 하우징 재료로 사용되는 알루미늄이나 알루미늄 합금보다 높은 열전도율을 갖는 구리, 은, 금 및 이들의 합금 중에서 선택된 재료가 사용된다. 여기서, 알루미늄 합금은 알루미늄에 니켈이나 망간이 일정량 함유된 것을 포함한다. 다른 한편으로, 열분배판(21)으로는 알루미늄이나 알루미늄 합금의 열전도율보다 높은 열전도율을 갖는 탄소복합재료가 사용될 수 있다. 이 경우, 탄소복합재료는 예컨대 알루미늄 이상의 내열성을 갖는 것이 좋다.The heat distribution plate 21 is provided between the combustion reaction section 11 and the reforming reaction section 13. The thermal conductivity of the heat distribution plate 21 is higher than the thermal conductivity of the housing in which the combustion reaction section 11 and the reforming reaction section 13 are installed. As the heat distribution plate 21, for example, a material selected from copper, silver, gold, and alloys thereof having a higher thermal conductivity than aluminum or an aluminum alloy used as the housing material of the combustion reaction unit 11 and the reforming reaction unit 13 is selected. Used. Here, the aluminum alloy includes a certain amount of nickel or manganese contained in aluminum. On the other hand, as the heat distribution plate 21, a carbon composite material having a thermal conductivity higher than that of aluminum or an aluminum alloy may be used. In this case, the carbon composite material preferably has heat resistance of, for example, aluminum or higher.

상술한 구성에 의하면, 연소 반응부에서 발생된 열 에너지를 개질 반응부에 효과적으로 전달하여 높은 반응효율과 열효율로 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시킬 수 있는 평판형 개질기가 제공된다.According to the above-described configuration, there is provided a flat type reformer capable of effectively transferring heat energy generated in the combustion reaction unit to the reforming reaction unit to generate hydrogen-rich reformed gas with high reaction efficiency and thermal efficiency.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 평판형 개질기에 설치되는 열분배판을 설명하기 위한 사시도이다.2A and 2B are perspective views illustrating a heat distribution plate installed in the flat reformer of FIG. 1.

도 2a를 참조하면, 열분배판(21a)은 열원부(11a)와 흡열부(13a) 사이에 게재되며 열원부(11a)와 흡열부(13a)의 표면에 접하여 열원부(11a)에서 발생된 열을 흡열부(13a)에 효율적으로 전달한다. 여기서, 열분배판(21a), 열원부(11a) 및 흡열부(13a)는 앞서 도 1을 참조하여 설명한 열분배판(21), 연소 반응부(11) 및 개질 반응부(13)에 대응된다.Referring to FIG. 2A, the heat distribution plate 21a is disposed between the heat source portion 11a and the heat absorbing portion 13a and is formed in the heat source portion 11a in contact with the surfaces of the heat source portion 11a and the heat absorbing portion 13a. Heat is efficiently transferred to the heat absorbing portion 13a. Here, the heat distribution plate 21a, the heat source portion 11a, and the heat absorbing portion 13a correspond to the heat distribution plate 21, the combustion reaction portion 11, and the reforming reaction portion 13 described above with reference to FIG.

열분배판(21a)은 소정 두께의 판상으로 제작된다. 열원부(11a)와 흡열부(13a) 사이에 열분배판(21a)을 삽입설치하기 위하여, 열원부(11a)의 하부면에는 제1 오목부(12)를 설치하고, 흡열부(13a)의 상부면에는 제2 오목부(14)를 설치한다. 다시 말해서, 열분배판(21a)은 제1 오목부(12)와 제2 오목부(14)에 삽입된 상태로 열원부(11a)와 흡열부(13a)와의 사이에 삽입설치된다. 상술한 구조에서, 열원부(11a)와 흡열부(13a)는 용접 접합된다. 상술한 경우, 열분배판(21a)의 표면과 제1 및 제2 오목부(12, 14)의 바닥면은 균일한 접촉이 이루어지도록 평평하게 가공설치된다.The heat distribution plate 21a is produced in a plate shape of a predetermined thickness. In order to insert and install the heat distribution plate 21a between the heat source portion 11a and the heat absorbing portion 13a, a first concave portion 12 is provided on the lower surface of the heat source portion 11a, and the heat absorbing portion 13a The second recess 14 is provided on the upper surface. In other words, the heat distribution plate 21a is inserted between the heat source portion 11a and the heat absorbing portion 13a while being inserted into the first recessed portion 12 and the second recessed portion 14. In the above-described structure, the heat source portion 11a and the heat absorbing portion 13a are welded together. In the above-described case, the surface of the heat distribution plate 21a and the bottom surfaces of the first and second recesses 12 and 14 are processed to be flat so as to make uniform contact.

열분배판(21a)의 두께는 열원부(11a)의 발열 온도와 흡열부(13a)에서 요구되는 온도에 따라 조절된다. 또한, 열분배판(21a)의 두께와 형상은 열원부(11a) 및/또는 흡열부(13a)의 온도 구배에 따라 적절하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 흡열부(13a)의 연료 유입구 부분이 다른 부분에 비해 온도가 낮으면, 연료 유입구측에 대응되는 열분배판(21a)의 해당 부분의 두께를 얇게 하거나 연료 유입구측에만 열분배판(21a)을 설치하여 온도 구배를 조절할 수 있다. 이 경우, 제1 및/또는 제2 오목부(12, 14)는 열분배판(21a)의 변형에 대응하여 변형된다. 상술한 구성에 의하면, 흡열부(13a) 내에 마련된 촉매를 더욱 균일하게 이용하여 촉매에 의한 개질 효율이 향상된다.The thickness of the heat distribution plate 21a is adjusted according to the exothermic temperature of the heat source portion 11a and the temperature required by the heat absorbing portion 13a. In addition, the thickness and shape of the heat distribution plate 21a may be appropriately modified according to the temperature gradient of the heat source portion 11a and / or the heat absorbing portion 13a. For example, if the temperature of the fuel inlet portion of the heat absorbing portion 13a is lower than that of other portions, the thickness of the corresponding portion of the heat distribution plate 21a corresponding to the fuel inlet side is made thin or the heat distribution plate 21a is only on the fuel inlet side. Can be used to adjust the temperature gradient. In this case, the first and / or second recesses 12 and 14 are deformed in response to the deformation of the heat distribution plate 21a. According to the above structure, the reforming efficiency by the catalyst is improved by using the catalyst provided in the heat absorbing portion 13a more uniformly.

또한, 평판형 개질기에 열분배판(21a)을 삽입설치하는 구조에 있어서, 도 2b에 도시한 바와 같이, 열원부(11a)의 하부면(12a)에는 오목부가 설치되지 않고, 흡열부(13a)의 상부면에만 오목부(14a)가 설치될 수 있다. 이 경우, 흡열부(13a)의 상부면에 설치되는 오목부(14a)의 깊이는 열분배판(21a)의 두께와 거의 동일하게 설치된다. 물론, 본 실시에에 따르면, 상술한 경우와는 반대로, 열원부(11a)의 하부면에 오목부가 설치되고, 흡열부(13a)의 상부면에는 오목부가 설치되지 않는 구조도 적용가능하다.In addition, in the structure in which the heat distribution plate 21a is inserted into the plate-type reformer, as shown in FIG. 2B, no recess is provided in the lower surface 12a of the heat source portion 11a, and the heat absorbing portion 13a is provided. Only the upper surface of the recess 14a may be installed. In this case, the depth of the concave portion 14a provided on the upper surface of the heat absorbing portion 13a is provided almost equal to the thickness of the heat distribution plate 21a. Of course, according to the present embodiment, a structure in which the concave portion is provided on the lower surface of the heat source portion 11a and the concave portion is not provided on the upper surface of the heat absorbing portion 13a can be applied as opposed to the case described above.

상술한 구성에 의하면, 서로 마주하는 반응부에 오목부를 형성하여 열분배판 또는 열차단판을 삽입 설치함으로써, 열분배판이나 열차단판을 이용하여 각 반응부의 반응 온도를 원하는 온도로 제어할 수 있을뿐 아니라 각 반응부의 접합을 견고하게 할 수 있다.According to the above configuration, by forming a recess in the reaction portions facing each other and inserting a heat distribution plate or a heat shield plate, the reaction temperature of each reaction unit can be controlled to a desired temperature using a heat distribution plate or a heat shield plate, It is possible to solidify the bonding of the reaction part.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 평판형 개질기를 나타내는 도면이다.3 is a view showing a plate reformer according to a second embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 평판형 개질기(30)는 연료전지의 애노드측 유출구에서 나오는 연료 오프가스(연소연료) 및/또는 연료공급 장치 등으로부터 공급되는 부탄을 주성분으로 하는 연료와 공기를 반응시켜 열을 발생시키고, 발생된 열을 이용하는 수증기 개질 반응을 통해 부탄을 주성분으로 하는 연료(개질연료)로부터 개질 가스를 발생시킨다. 이때, 평판형 개질기(30)에서는 연소 반응부(31, 32)와 개질 반응부(33)와의 사이에 연소 반응부(31, 32)와 개질 반응부(33)의 하우징보다 높은 열전도율을 갖는 열분배판(41, 42)을 삽입설치하여 연소 반응부(31, 32)에서 발생된 열이 개질 반응부(33)에 효율적으로 전달되도록 한다.Referring to FIG. 3, the plate reformer 30 reacts heat by reacting fuel and air mainly composed of butane supplied from a fuel off-gas (combusted fuel) and / or a fuel supply device, etc., emitted from an anode side outlet of a fuel cell. And a reformed gas is generated from a fuel mainly based on butane (reformed fuel) through a steam reforming reaction using the generated heat. At this time, in the flat reformer 30, the heat content having a higher thermal conductivity between the combustion reaction sections 31 and 32 and the reforming reaction section 33 than the housing of the combustion reaction sections 31 and 32 and the reforming reaction section 33. Inserting the back plate (41, 42) so that the heat generated in the combustion reaction section (31, 32) is efficiently transmitted to the reforming reaction section (33).

보다 구체적으로, 상술한 평판형 개질기(30)는 제1 및 제2 연소 반응부(31, 32), 개질 반응부(33), 예열부(34), 일산화탄소(CO) 저감부(36), 제1 및 제2 덮개 (40a, 40b), 제1 열분배판(41, 42) 및 제2 열분배판(43)을 포함한다. 그리고 평판형 개질기(30)는 각 반응부가 설치되는 플레이트 형상의 각 하우징을 용접한 적층 구조로 만들어진다. 각 하우징은 열전도율 및 가공성이 우수한 알루미늄이나 알루미늄을 주성분으로 하는 합금으로 이루어진다.More specifically, the flat plate reformer 30 described above includes the first and second combustion reaction units 31 and 32, the reforming reaction unit 33, the preheating unit 34, the carbon monoxide (CO) reduction unit 36, First and second covers 40a and 40b, first heat distribution plates 41 and 42 and second heat distribution plate 43 are included. And the plate-type reformer 30 is made of a laminated structure in which each of the plate-shaped housings in which each reaction unit is installed is welded. Each housing is made of aluminum or an aluminum-based alloy having excellent thermal conductivity and workability.

제1 및 제2 덮개(40a, 40b)는 일산화탄소 저감부(36)와 제2 연소 반응부(32)의 외측에 설치된다. 제1 덮개(40a)에는 부탄과 물의 유입을 위한 제1 유입구, 연료 오프 가스의 유입을 위한 제2 유입구, 공기의 유입을 위한 제3 유입구, 배기 가스의 방출을 위한 제1 유출구, 및 개질 가스의 유출을 위한 제2 유출구가 구비된다.The first and second lids 40a and 40b are provided outside the carbon monoxide reduction unit 36 and the second combustion reaction unit 32. The first cover 40a includes a first inlet for inflow of butane and water, a second inlet for inflow of fuel off gas, a third inlet for inflow of air, a first outlet for exhaust gas, and a reformed gas A second outlet for outflow of is provided.

제1 및 제2 연소 반응부(31, 32)는 연료전지스택에서 유출되는 연료 오프 가스(연소연료)와 공기를 반응시켜 열을 발생시키고, 발생된 열을 개질기 전체에 공급한다. 물론, 연소연료로는 연료공급장치(미도시) 등을 통해 별도로 공급되는 다른 연료가 이용될 수 있다. 제1 및 제2 연소 반응부(31, 32)는 부탄을 함유한 연료의 높은 개질 반응 온도에 적합하도록 개질 반응부(33)에 많은 열을 공급하기 위하여 개질 반응부(33)의 상하측에 배치된다. 이러한 제1 및 제2 연소 반응부(31, 32)는 플레이트 형상의 하우징 내에 연소 촉매층(미도시)이 충진되어 있는 구조를 갖는다.The first and second combustion reaction units 31 and 32 react with the fuel off-gas (combustion fuel) flowing out of the fuel cell stack to generate heat, and supply the generated heat to the entire reformer. Of course, other fuels supplied separately through a fuel supply device (not shown) may be used as the combustion fuel. The first and second combustion reaction sections 31 and 32 are provided on the upper and lower sides of the reforming reaction section 33 to supply a large amount of heat to the reforming reaction section 33 so as to be suitable for the high reforming reaction temperature of the fuel containing butane. Is placed. The first and second combustion reaction units 31 and 32 have a structure in which a combustion catalyst layer (not shown) is filled in a plate-shaped housing.

개질 반응부(33)는 촉매, 예컨대, 니켈 또는 루테늄(ruthenium)계의 촉매를 사용하여 600℃ 이상의 온도 분위기에서 수증기 개질 반응을 통해 혼합 연료로부터 개질 가스를 발생시킨다. 여기서, 혼합 연료는 부탄을 주성분으로 하는 연료와 물 이 혼합된 연료를 나타낸다. 혼합 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 개질 반응식을 나타내면 다음과 같다.The reforming reaction unit 33 generates a reformed gas from the mixed fuel through a steam reforming reaction in a temperature atmosphere of 600 ° C. or higher using a catalyst such as a nickel or ruthenium-based catalyst. Here, the mixed fuel refers to a fuel containing butane as a main component and a fuel mixed with water. The reforming reaction formula for generating the reformed gas from the mixed fuel is as follows.

n-C4H10 + 8H2O ⇔ 4CO2 + 13H2 nC 4 H 10 + 8H 2 O ⇔ 4CO 2 + 13H 2

또한, 개질 반응부(33)는 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키기 위한 개질 촉매층을 구비한다. 예를 들면, 개질 촉매층은 하우징 내부에 알갱이형 촉매가 충진된 구조를 포함한다. 이 경우, 알갱이형 촉매의 비산을 방지하기 위하여 개질 반응부(33)의 유출구에는 망상체가 설치된다.The reforming reaction section 33 also includes a reforming catalyst layer for generating a reformed gas rich in hydrogen from the mixed fuel. For example, the reforming catalyst layer includes a structure in which a granular catalyst is filled in the housing. In this case, a network is installed at the outlet of the reforming reaction part 33 in order to prevent the scattering of the granular catalyst.

예열부(34)는 개질 반응부(33)에 연료와 물이 공급되기 전에 연소 반응부(31, 32)에 의해 발생되는 열을 이용하여 연료와 물을 혼합하고 예열한다. 예열부(34)에는 제1 덮개(40a)의 제1 유입구를 통해 부탄을 포함한 연료와 물이 유입된다.The preheater 34 mixes and preheats fuel and water using heat generated by the combustion reaction units 31 and 32 before fuel and water are supplied to the reforming reaction unit 33. Fuel and water including butane are introduced into the preheater 34 through the first inlet of the first cover 40a.

제1 열분배판(41, 42)은 제1 및 제2 연료 반응부(31, 32)에서 발생된 열을 개질 반응부(33) 양측에서 전달한다. 이러한 구성에 의해, 부탄을 함유한 연료가 수증기 개질 반응을 통해 높은 효율로 개질될 수 있도록 개질 반응부(33)의 반응온도를 높은 온도, 예컨대, 600℃~700℃로 용이하게 높인다. 제2 열분배판(43)은 제1 연소 반응부(31) 및/또는 제2 연료반응부(32)에서 발생된 열을 예열부(34)에 효율적으로 전달한다. 상술한 제1 및 제2 열분배판(41, 42, 43)으로는 예컨대, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 열전도율보다 높은 열전도율을 갖는 구리, 은, 금 및 이 들의 합금 중에서 선택된 적어도 하나의 재료나 탄소복합재료가 사용된다. 한편, 상술한 열분배판(41, 42, 43)은 하나의 조각으로 설치되거나 복수개의 조각으로 나뉘어져 설치될 수 있다. 또 한편으로, 상술한 제2 열분배판(43)은 예열부(44)의 반응 온도가 원하는 온도 이상인 경우에 연소 반응부(31)측에서 전달되는 열을 어느 정도 차단할 수 있는 열차단판으로 대체될 수 있다. 열차단판은 알루미늄이나 알루미늄 합금보다 낮은 열전도율을 갖는 또다른 탄소복합재료가 사용될 수 있다.The first heat distribution plates 41 and 42 transfer heat generated from the first and second fuel reactors 31 and 32 to both sides of the reforming reaction unit 33. By such a configuration, the reaction temperature of the reforming reaction unit 33 is easily increased to a high temperature, for example, 600 ° C to 700 ° C, so that the fuel containing butane can be reformed with high efficiency through the steam reforming reaction. The second heat distribution plate 43 efficiently transfers the heat generated by the first combustion reaction unit 31 and / or the second fuel reaction unit 32 to the preheater 34. As the above-mentioned first and second heat distribution plates 41, 42, 43, for example, at least one material or carbon composite material selected from copper, silver, gold, and alloys thereof having a thermal conductivity higher than that of aluminum or an aluminum alloy. Is used. On the other hand, the above-described heat distribution plate 41, 42, 43 may be installed in one piece or divided into a plurality of pieces. On the other hand, the second heat distribution plate 43 described above may be replaced with a heat shield plate capable of blocking the heat transmitted from the combustion reaction part 31 side to a certain extent when the reaction temperature of the preheater 44 is higher than a desired temperature. Can be. The thermal barrier plate may be another carbon composite material having a lower thermal conductivity than aluminum or an aluminum alloy.

일산화탄소 저감부(36)는 수성가스 전환, 촉매 반응, 흡착 등의 방법으로 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 제거한다. 일산화탄소 저감부(36)에 요구되는 반응온도는 상부측 제1 열분배판(41)과 제2 열분배판(43)의 구조와 두께를 조절함으로써 제어된다. 예컨대, 상부측 제1 열분배판(41) 및/또는 제2 열분배판(43)에 홀을 형성하거나 두께를 조절하여 일산화탄소 저감부(46)에 전달되는 열의 세기를 조절한다.The carbon monoxide reduction unit 36 removes carbon monoxide contained in the reformed gas by a method such as water gas conversion, catalytic reaction, and adsorption. The reaction temperature required for the carbon monoxide reduction unit 36 is controlled by adjusting the structure and thickness of the upper first heat distribution plate 41 and the second heat distribution plate 43. For example, a hole is formed in the upper first heat distribution plate 41 and / or the second heat distribution plate 43 or the thickness is adjusted to control the intensity of heat transferred to the carbon monoxide reduction unit 46.

이와 같이, 본 실시예에 따른 평판형 개질기에서는 각 반응부의 하우징들 사이에 열분배판을 삽입설치함으로써, 높은 반응온도, 예컨대, 600℃~700℃를 개질 반응부에 균일하게 제공하여 개질 반응부에서 부탄의 개질 반응이 적절히 수행되도록 하고, 비교적 높은 반응온도, 예컨대, 350℃~500℃를 예열부에 제공하여 예열부에서 연료와 물이 효과적으로 혼합예열되도록 하며, 비교적 낮은 반응온도, 예컨대, 100℃~350℃를 일산화탄소 저감부에 제공하여 일산화탄소 저감부에서 개질 가스에 함유된 일산화탄소가 일정 농도 이하로 감소되도록 각 반응부의 반응온도를 용이하게 제어할 수 있다. 이처럼, 본 발명에 따르면, 열분배판을 이용하여 각 반 응부가 적절한 반응온도에서 높은 반응 효율로 동작되며, 그것에 의해 부탄을 포함한 연료를 높은 개질효율로 개질할 수 있는 평판형 개질기가 제공된다.As described above, in the planar reformer according to the present embodiment, a heat distribution plate is inserted between the housings of the respective reaction units, such that a high reaction temperature, for example, 600 ° C to 700 ° C is uniformly provided to the reforming reaction unit, thereby providing The reforming reaction of butane is performed properly, and a relatively high reaction temperature, such as 350 ° C. to 500 ° C., is provided in the preheating section to effectively mix and preheat the fuel and water in the preheating section, and a relatively low reaction temperature, eg 100 ° C. By providing the carbon monoxide reduction unit at ˜350 ° C., the reaction temperature of each reaction unit can be easily controlled so that the carbon monoxide contained in the reforming gas in the carbon monoxide reduction unit is reduced below a certain concentration. As described above, according to the present invention, each reaction unit is operated at a high reaction efficiency at an appropriate reaction temperature by using a heat distribution plate, thereby providing a flat plate reformer capable of reforming fuel including butane at high reforming efficiency.

상술한 구성에 따르면, 연소 반응부와 개질 반응부가 적층되므로 열 전달 패스가 짧고 열 효율면에서 유리하다. 또한, 열원부와 흡열부를 동일 섹션 내에 적층 구조로 제작함으로써 전체적인 개질 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현할 수 있다. 게다가, 각 반응부의 반응온도에 큰 차이를 갖는 부탄 등의 탄화수소의 수증기 개질기에 적절하게 적용할 수 있는 평판형 개질기를 제공할 수 있다.According to the above-described configuration, since the combustion reaction section and the reforming reaction section are laminated, the heat transfer path is short and advantageous in terms of thermal efficiency. In addition, by manufacturing the heat source portion and the heat absorbing portion in a laminated structure in the same section, it is possible to realize a compact size of the overall reforming system. In addition, it is possible to provide a flat type reformer that can be suitably applied to steam reformers of hydrocarbons such as butane having a large difference in reaction temperature of each reaction unit.

아울러, 평판형 개질기에서는 개질 반응부의 온도 구배를 감소시켜 개질 반응부 내에서 비교적 균일한 촉매 개질 반응이 일어날 수 있도록 하고, 그것에 의해 반응에 참여하는 촉매량을 증가시켜 개질 가스 내에 수소 함량을 높일 수 있다는 장점이 있다. 게다가, 예열부가 함께 적층되므로, 초기 구동시 개질기로 공급되는 연료를 별도로 예열할 필요가 없고, 따라서 예열하는데 따른 에너지의 소모로 인해 시스템의 전체적인 효율이 떨어지게 되는 문제점을 방지할 수 있다.In addition, in the flat reformer, the temperature gradient of the reforming reaction unit is reduced to allow a relatively uniform catalyst reforming reaction to occur in the reforming reaction unit, thereby increasing the amount of catalyst participating in the reaction, thereby increasing the hydrogen content in the reforming gas. There is an advantage. In addition, since the preheating unit is stacked together, there is no need to preheat separately the fuel supplied to the reformer during the initial operation, thus preventing the problem that the overall efficiency of the system is degraded due to the consumption of energy for preheating.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 평판형 개질기를 나타내는 도면이다.4 is a view showing a plate reformer according to a third embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 평판형 개질기(30a)는 연료전지의 애노드측 유출구에서 나오는 연료 오프 가스(연소연료)를 공기와 반응시켜 열을 발생시키고, 발생된 열을 이용하는 수증기 개질 반응을 통해 부탄을 주성분으로 하는 연료(개질연료)로부터 개질 가스를 발생시킨다. 이때, 평판형 개질기(30a)에서는 각 반응부(31, 32, 33, 34, 36a, 36b)가 설치되어 있는 플레이트 형상의 하우징들 사이에 열분배판(41, 42, 43, 44, 45)을 삽입설치하여 각 반응부의 반응 온도를 적절히 조절한다. 여기서, 열분배판은 열차단판을 포함한다.Referring to FIG. 4, the planar reformer 30a generates heat by reacting fuel off-gas (combustion fuel) coming from the anode side outlet of the fuel cell with air to generate heat, and generates butane through a steam reforming reaction using the generated heat. The reformed gas is generated from the fuel (reformed fuel) containing the main component. In this case, in the plate-type reformer 30a, the heat distribution plates 41, 42, 43, 44, and 45 are disposed between the plate-shaped housings in which the reaction units 31, 32, 33, 34, 36a, and 36b are installed. Insert and adjust the reaction temperature of each reaction unit appropriately. Here, the heat distribution plate includes a heat shield plate.

제1 열분배판(41, 42)은 제1 및 제2 연소 반응부(31, 32)와 개질 반응부(33) 사이에 삽입설치된다. 제2 열분배판(43)은 제1 연소 반응부(31)와 예열부(34)와의 사이에 삽입설치된다. 제3 열분배판(44)은 예열부(34)와 수성가스 전환부(16a)와의 사이에 삽입설치된다. 제4 열분배판(45)은 수성가스 전환부(36a)와 선택적 산화부(36b)와의 사이에 삽입설치된다.The first heat distribution plates 41 and 42 are inserted between the first and second combustion reaction units 31 and 32 and the reforming reaction unit 33. The second heat distribution plate 43 is inserted between the first combustion reaction unit 31 and the preheater 34. The third heat distribution plate 44 is inserted between the preheater 34 and the water gas switching unit 16a. The fourth heat distribution plate 45 is inserted between the water gas switching unit 36a and the selective oxidation unit 36b.

각 반응부의 반응 온도를 적절히 조절하기 위하여, 제1 열분배판(41, 42)은 제1 및 제2 연소 반응부(31, 32)와 개질 반응부(33)의 하우징보다 높은 열전도율을 갖는 재료로 일정 두께와 형상으로 제작된다. 또한, 제2 열분배판(43)은 제1 연소 반응부(31)와 예열부(34)의 하우징보다 높은/낮은 열전도율을 갖는 재료로 일정 두께와 형상으로 제작된다. 제3 열분배판(44)은 예열부(34)와 수성가스 전환부(36a)의 하우징보다 높은/낮은 열전도율을 갖는 재료로 일정 두께와 형상으로 제작된다. 그리고, 제4 열분배판(45)은 수성가스 전환부(36a)와 선택적 산화부(36b)의 하우징보다 높은/낮은 열전도율을 갖는 재료로 일정 두께와 형상으로 제작된다. 상술한 구성에 따르면, 인접한 하우징의 열전도율보다 높은 열전도율을 갖는 열분배판과, 인접한 하우징의 열전도율보다 낮은 열전도율을 갖는 열분배판/열차단판을 이용하여 평판형 개질기의 각 반응부의 반응온도를 용이하게 조절할 수 있다.In order to appropriately adjust the reaction temperature of each reaction section, the first heat distribution plates 41 and 42 are made of a material having a higher thermal conductivity than the housing of the first and second combustion reaction sections 31 and 32 and the reforming reaction section 33. Manufactured to a certain thickness and shape. In addition, the second heat distribution plate 43 is made of a material having a higher / lower thermal conductivity than the housing of the first combustion reaction part 31 and the preheating part 34, and is manufactured to have a predetermined thickness and shape. The third heat distribution plate 44 is made of a material having a higher / lower thermal conductivity than the housing of the preheater 34 and the water gas conversion unit 36a, and is manufactured to have a predetermined thickness and shape. In addition, the fourth heat distribution plate 45 is made of a material having a higher / lower thermal conductivity than the housing of the water gas conversion unit 36a and the selective oxidation unit 36b. According to the above configuration, it is possible to easily control the reaction temperature of each reaction unit of the plate-type reformer by using a heat distribution plate having a thermal conductivity higher than the thermal conductivity of the adjacent housing and a heat distribution plate / heat shielding plate having a thermal conductivity lower than the thermal conductivity of the adjacent housing. have.

위에 기술한 수성가스 전환부(36a)는 수증기를 첨가하여 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 수소와 이산화탄소로 전환시키는 수성가스 전환 반응을 통해 개질 가 스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다. 수성가스 전환 반응은 평형에 지배를 받아 온도와 압력에 의해 반응 조성이 결정되므로 수성가스 전환부가 적절한 온도를 유지하도록 한다. 예컨대, 수성가스 전환 반응에 있어서, 이산화탄소를 생성하는 방향으로는 발열 반응이어서 저온에서 유리하고, 반면에 고온에서는 흡열 반응인 역반응이 진행되어 수소를 소모하여 일산화탄소를 생성한다. 수성가스 전환 반응용 촉매로는 500℃ 이상의 온도에 사용가능한 고온계 촉매, 예컨대, Cr2O3/Fe3O4나 200℃ 이상의 온도에 사용가능한 저온계 촉매, 예컨대, Cu/ZnO/Al2O3 등을 이용할 수 있다. 수성가스 전환 반응의 반응식을 나타내면 다음과 같다.The water gas shift unit 36a described above reduces the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas through a water gas shift reaction in which carbon monoxide contained in the reformed gas is converted into hydrogen and carbon dioxide by adding water vapor. The water gas shift reaction is controlled by equilibrium so that the reaction composition is determined by temperature and pressure, so that the water gas shift unit maintains the appropriate temperature. For example, in the water gas conversion reaction, the carbon dioxide is generated in the direction of exothermic reaction, which is advantageous at low temperature, while at high temperature, the reverse reaction, which is an endothermic reaction, proceeds to consume hydrogen to generate carbon monoxide. Catalysts for the water gas shift reaction include pyrogenic catalysts usable at temperatures of 500 ° C. or higher, such as Cr 2 O 3 / Fe 3 O 4 or low temperature catalysts usable at temperatures of 200 ° C. or higher, such as Cu / ZnO / Al 2 O 3 and the like can be used. The reaction equation of the water gas shift reaction is as follows.

CO + H2O ⇔ CO2 + H2 CO + H 2 O ⇔ CO 2 + H 2

또한, 수성가스 전환부(36a)는 반응온도 제어를 위한 보조 수단으로서 열교환기(46)를 구비할 수 있다. 예를 들면, 열교환기(46)로는 수성가스 전환부(36a) 주위를 둘러싸며 냉각수가 순환되는 배관이 이용될 수 있다. 상술한 구성에 따르면, 열분배판과 열교환기를 이용하여 수성가스 전환부(36a)의 반응온도를 보다 정밀하게 제어할 수 있다.In addition, the water gas switching unit 36a may include a heat exchanger 46 as an auxiliary means for controlling the reaction temperature. For example, the heat exchanger 46 may be a pipe that surrounds the water gas switching unit 36a and circulates with the coolant. According to the above-described configuration, the reaction temperature of the water gas switching unit 36a can be more precisely controlled using the heat distribution plate and the heat exchanger.

위에 기술한 선택적 산화부(36b)는 일산화탄소만을 선택적으로 반응시키는 촉매의 선택적 산화 반응을 통해 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시킨다. 예를 들면, 선택적 산화부(36b)는 수성가스 전환부(36a)를 통과한 개질 가스에 함유되어 있는 일산화탄소의 농도를 원하는 농도, 예컨대, 10ppm 이하로 저감시킨다. 선택적 산화부(36b)에 채용할 수 있는 촉매로는 Ru, Rh, Pt/Al2O3, TiO2, ZrO2, Au/Fe2O3 등이 있다. 선택적 산화 반응의 반응식을 나타내면 다음과 같다.The selective oxidation unit 36b described above converts carbon monoxide contained in the reformed gas into carbon dioxide through a selective oxidation reaction of a catalyst that selectively reacts only carbon monoxide. For example, the selective oxidation unit 36b reduces the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas passing through the water gas switching unit 36a to a desired concentration, for example, 10 ppm or less. Catalysts that can be employed in the selective oxidation unit 36b include Ru, Rh, Pt / Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Au / Fe 2 O 3, and the like. The reaction scheme of the selective oxidation reaction is as follows.

CO + 1/2O2 → CO2 CO + 1 / 2O 2 → CO 2

또한, 선택적 산화부(36b)는 반응온도 제어를 위한 보조 수단으로서 열교환기(47)를 구비할 수 있다. 예를 들면, 열교환기(47)로는 선택적 산화부(36b) 주위를 둘러싸며 냉각수가 순환되는 배관이 이용될 수 있다. 상술한 구성에 따르면, 열분배판과 열교환기를 이용하여 선택적 산화부(36b)의 반응온도를 보다 정밀하게 제어할 수 있다.In addition, the selective oxidation unit 36b may include a heat exchanger 47 as an auxiliary means for controlling the reaction temperature. For example, the heat exchanger 47 may be a pipe that surrounds the selective oxidation unit 36b and circulates with the coolant. According to the above-described configuration, it is possible to more precisely control the reaction temperature of the selective oxidation unit 36b by using a heat distribution plate and a heat exchanger.

상술한 구성에 따르면, 열분배판을 사용하여 평판형 개질기의 동일 섹션 내에 설치된 수성가스 전환부와 선택적 산화부에 반응온도를 효율적으로 조절할 수 있다. 따라서, 부탄을 함유한 연료로부터 수소한 풍부한 개질 가스를 얻은 후 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 일정량 이하로 저감시킬 수 있는 고효율의 평판형 개질기를 용이하게 제공할 수 있다.According to the above-described configuration, it is possible to efficiently control the reaction temperature by using the heat distribution plate in the water gas conversion unit and the selective oxidation unit installed in the same section of the plate reformer. Therefore, it is possible to easily provide a highly efficient plate-type reformer capable of reducing the carbon monoxide contained in the reformed gas to a predetermined amount or less after obtaining the rich reformed gas hydrogenated from the fuel containing butane.

도 5는 본 발명에 따른 평판형 개질기를 채용한 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.5 is a block diagram showing a fuel cell system employing a flat reformer according to the present invention.

도 5를 참조하면, 연료전지 시스템은 부탄을 주성분으로 하는 연료로부터 수 소가 풍부한 개질 가스와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다. 이를 위해, 연료전지 시스템은 연료저장용기(110), 부착 장치(120), 탈황 장치(130), 개질 장치(200), 연료전지(300) 및 순환탱크(400)를 포함한다. 여기서, 연료저장용기(110), 부착 장치(120) 및 탈황 장치(130)는 개질 장치(200)에 양질의 부탄을 함유한 연료를 공급하는 연료공급장치(100)를 구성한다. 그리고, 부탄을 주성분으로 하는 연료는 소정량의 프로판이나 부취제를 함유할 수 있다.Referring to FIG. 5, a fuel cell system generates electric energy by electrochemically reacting hydrogen-rich reformed gas and oxygen in air from a fuel mainly composed of butane. To this end, the fuel cell system includes a fuel storage container 110, an attachment device 120, a desulfurization device 130, a reforming device 200, a fuel cell 300, and a circulation tank 400. Here, the fuel storage container 110, the attachment device 120 and the desulfurization device 130 constitutes a fuel supply device 100 for supplying a fuel containing high quality butane to the reformer 200. The fuel containing butane as a main component may contain a predetermined amount of propane or odorant.

보다 구체적으로 설명하면, 연료저장용기(110)는 연료전지에 이용되는 수소를 얻기 위하여 부탄을 주성분으로 하는 연료가 저장되는 용기를 포함한다. 예를 들면, 연료저장용기(110)는 부탄을 주성분으로 하는 연료가 소정 압력에 의해 액상으로 압축 저장되는 압축저장용기를 포함한다. 연료저장용기(110)는 용기 주위에 있는 기상 물질의 응축열을 빼앗아 부탄을 함유한 연료를 방출시킨다. 이러한 연료저장용기(110)로는 예를 들어 시중에 판매되고 있는 부탄캔을 사용할 수 있다. 부탄캔은 통상 얇은 주석도금강판을 붙여 만들어지고, 약 15㎏/㎠의 내부 압력을 갖는다. 상술한 경우, 연료저장용기(110)는 부탄캔과 같이 부탄을 함유한 연료의 방출을 위한 방출 밸브(112)를 구비할 수 있다. 방출 밸브(112)는 돌출된 밸브가 소정 압력으로 눌려졌을 때 개방되는 구조를 갖는다.In more detail, the fuel storage container 110 includes a container in which fuel containing butane as a main component is stored in order to obtain hydrogen used in a fuel cell. For example, the fuel storage container 110 includes a compression storage container in which fuel mainly composed of butane is compressed and stored in the liquid phase by a predetermined pressure. The fuel storage container 110 takes away the heat of condensation of the gaseous substance around the container and releases the fuel containing butane. As the fuel storage container 110, butane cans, which are commercially available, may be used. Butane cans are usually made of a thin tin plated steel sheet and have an internal pressure of about 15 kg / cm 2. In the above-described case, the fuel storage container 110 may include a discharge valve 112 for discharging fuel containing butane, such as butane can. The discharge valve 112 has a structure that opens when the protruding valve is pressed to a predetermined pressure.

부착 장치(120)는 연료저장용기(110)를 개질 장치(200)측에 결합시키는 결합 수단을 나타낸다. 부착 장치(120)는 연료저장용기(110)와의 결합시 방출 밸브(112)를 소정 압력으로 눌러 연료저장용기(110)에 저장된 연료가 방출되도록 한다. 따라 서, 연료저장용기(110)와 부착 장치(120)에는 나사 결합 구조나 걸림턱 구조 등과 같은 결합 구조가 각각 구비된다.Attachment device 120 represents a coupling means for coupling fuel reservoir 110 to reformer 200 side. The attachment device 120 presses the discharge valve 112 at a predetermined pressure when combined with the fuel storage container 110 to discharge the fuel stored in the fuel storage container 110. Accordingly, the fuel storage container 110 and the attachment device 120 are provided with a coupling structure such as a screw coupling structure or a locking step structure, respectively.

상술한 부착 장치(120)는 예컨대 연료저장용기(110)의 내부 압력이 5㎏/㎠ 이상, 7㎏/㎠ 이하에서 연료저장용기(110)가 이탈되도록 하는 압력감지 안전수단을 구비할 수 있다. 또한, 부착 장치(120)는 연료저장용기(110)가 결합된 상태에서 연료의 방출을 차단하는 밸브를 구비할 수 있다.For example, the attachment device 120 may include a pressure sensing safety means for allowing the fuel storage container 110 to be separated from the internal pressure of the fuel storage container 110 at 5 kg / cm 2 or more and 7 kg / cm 2 or less. . In addition, the attachment device 120 may be provided with a valve to block the discharge of the fuel in the state in which the fuel storage container 110 is coupled.

탈황 장치(130)는 연료저장용기(110)에 저장된 연료에 함유된 유해물질, 예컨대, 유기 황화합물을 개질 단계 전에 제거하기 한다. 유기 황화합물은 대부분의 연료전지(300)에 사용되고 있는 백금 촉매 또는 니켈 촉매의 비활성화를 야기시켜 연료전지(300)의 성능을 저하시키는 유해물질이다. 탈황 장치(130)는 활성탄과 같은 흡착제를 사용하는 탈황 방식이나, ZnO계 또는 Cu/Zn계 물질 등의 금속 및 금속 산화물 촉매를 사용한 탈황 방식, 또는 350~400℃ 온도 분위기에서 일정량의 수소와 천연 가스를 유기 황화합물과 반응시켜 황화수소를 생성한 후 흡착하는 탈황 방식으로 구성될 수 있다.The desulfurization apparatus 130 removes harmful substances, such as organic sulfur compounds, contained in the fuel stored in the fuel storage container 110 before the reforming step. The organic sulfur compound is a harmful substance that causes the deactivation of the platinum catalyst or the nickel catalyst used in most fuel cells 300, thereby degrading the performance of the fuel cell 300. The desulfurization apparatus 130 is a desulfurization method using an adsorbent such as activated carbon, a desulfurization method using a metal and metal oxide catalyst such as ZnO-based or Cu / Zn-based materials, or a predetermined amount of hydrogen and natural gas at a temperature of 350 to 400 ° C. The gas may be reacted with an organic sulfur compound to generate hydrogen sulfide, followed by desulfurization.

개질 장치(200)는 연료공급장치(100)에서 공급되는 연료로부터 수소가 풍성한 개질 가스를 발생시킨다. 그리고 발생된 개질 가스에 함유된 유해물질, 예컨대, 일산화탄소를 저감시킨다. 이를 위해, 개질 장치(200)는 개질부(210)와 유해물질 제거부(220)를 구비한다. 여기서, 유해물질 제거부(220)는 개질 가스에 함유된 일산화탄소 농도를 10ppm 미만으로 감소시키기 위하여 수성가스 전환부와 선택적 산화부를 포함하는 것이 바람직하다. 본 실시예에 따른 개질 장치(200) 또는 개질부 (210)에는 앞서 언급한 본 발명에 따른 평판형 개질기가 채용된다. 이 경우, 평판형 개질기가 소형화에 유리하므로, 연료전지 시스템의 소형화를 도모할 수 있게 된다.The reformer 200 generates a reformed gas rich in hydrogen from the fuel supplied from the fuel supply device 100. And reducing harmful substances, such as carbon monoxide, contained in the generated reformed gas. To this end, the reforming apparatus 200 includes a reforming unit 210 and a hazardous substance removing unit 220. Here, the harmful substance removal unit 220 preferably includes a water gas conversion unit and an optional oxidation unit to reduce the carbon monoxide concentration contained in the reformed gas to less than 10 ppm. The reformer 200 or the reformer 210 according to the present embodiment employs the flat type reformer according to the present invention mentioned above. In this case, since the flat plate reformer is advantageous in miniaturization, the fuel cell system can be miniaturized.

또한, 개질 장치(200)는 필요한 공기를 공기 펌프(230)나 송풍기 등을 통해 공급받을 수 있다. 또한, 개질 장치(200)는 시스템의 전체적인 효율을 향상시키기 위해 연료전지(300)의 애노드측에서 유출되는 연료 오프가스(off gas)를 개질부(210)의 연소연료로 이용하고, 연료전지(300)의 캐소드측에서 유출된 물을 재처리하여 개질부(210)의 수증기 개질 반응 등에 이용할 수 있다. 또한, 개질 장치(200)는 개질부(210)에 필요한 연소연료의 일부를 탈황 장치(130)를 거치지 않고 연료저장용기(110)로부터 직접 공급받을 수 있다.In addition, the reforming apparatus 200 may receive the necessary air through the air pump 230 or the blower. In addition, the reforming apparatus 200 uses a fuel off gas flowing out of the anode side of the fuel cell 300 as a combustion fuel of the reforming unit 210 to improve the overall efficiency of the system, The water flowing out from the cathode side of 300 may be reprocessed and used for steam reforming reaction of the reforming unit 210. In addition, the reforming apparatus 200 may receive a portion of the combustion fuel required for the reforming unit 210 directly from the fuel storage container 110 without passing through the desulfurization apparatus 130.

연료전지(300)는 개질 장치(200)로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 받고, 공기 펌프(미도시) 등을 통해 산소가 함유된 공기를 받고, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다. 그리고, 연료전지(300)는 미반응 연료와 반응 생성물을 유출시킨다. 여기서, 연료전지(300)에 산소를 공급하는 방법은 공기 중에 함유된 산소를 이용하는 방법 이외에 순수한 산소 가스를 직접 공급하는 방법이나 공기 이외에 산화제로서 기능할 수 있는 산소를 함유한 연료를 공급하는 방법이 있다.The fuel cell 300 receives the reformed gas rich in hydrogen from the reformer 200, receives air containing oxygen through an air pump (not shown), and the like to generate electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen. Let's do it. The fuel cell 300 then discharges the unreacted fuel and the reaction product. Here, the method of supplying oxygen to the fuel cell 300 is a method of directly supplying pure oxygen gas in addition to the method of using oxygen contained in the air or a method of supplying a fuel containing oxygen that can function as an oxidant in addition to air. have.

상술한 연료전지(300)로는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막이 설치된 고분자 전해질형 연료전지가 이용될 수 있다. 이 경우, 연료전지(300)는 안정적인 운전과 운전효율의 향상을 위하여 고분자 전해질막에 적절한 수분을 공급하는 가습 장치를 구비할 수 있다.As the fuel cell 300 described above, a polymer electrolyte fuel cell in which a polymer membrane having hydrogen ion exchange characteristics is installed may be used. In this case, the fuel cell 300 may be provided with a humidifier for supplying appropriate moisture to the polymer electrolyte membrane for stable operation and improvement of operation efficiency.

순환탱크(400)는 연료전지(300)의 캐소드측에서 유출되는 부산물, 예컨대, 물이 유입되는 장치이다. 물은 연료전지(300)와 순환탱크(400) 사이에 설치된 열교환기 예컨대 응축기(410)를 통과하면서 응축된다. 순환탱크(400)는 유입된 부산물 중 액상의 유체를 저장하고, 원하지 않는 기상의 유체, 예컨대, 공기나 이산화탄소 등을 방출시킨다. 순환탱크(400)에 저장된 물은 수증기 개질 반응에 사용되도록 개질 장치(200)에 공급된다. 이 경우, 연료전지 시스템의 전체적인 효율 향상을 도모할 수 있다.The circulation tank 400 is a device into which by-products, for example, water, flows out from the cathode side of the fuel cell 300. Water is condensed while passing through a heat exchanger such as a condenser 410 installed between the fuel cell 300 and the circulation tank 400. The circulation tank 400 stores the liquid fluid in the by-products introduced thereto, and discharges an undesired gaseous fluid such as air or carbon dioxide. The water stored in the circulation tank 400 is supplied to the reformer 200 to be used for the steam reforming reaction. In this case, the overall efficiency of the fuel cell system can be improved.

상술한 순환탱크(400)는 예를 들어 외부로의 물 공급을 위한 유출구가 구비되는 하부 영역(section), 및 캐소드측의 유출물이 유입되는 유입구와 가스 방출을 위한 벤트(vent)가 구비되는 상부 영역을 포함할 수 있다. 또한 상술한 순환탱크(400)는 하부 영역과 상부 영역 사이에 설치되며, 상부 영역으로 상승하는 수증기가 하부 영역으로 하강하는 물과 접촉하여 응축 효과를 향상시키는 분리막을 더 구비할 수 있다. 또한, 상술한 순환탱크(400)에는 물의 유량 변동을 검출하기 위한 측정 장치가 설치될 수 있다. 또한, 순환탱크(400)에 저장된 물은 전처리 필터, 이온교환수지 필터 등을 포함한 필터 장치를 통해 개질 장치(200)에 공급될 수 있다. 이 경우, 물은 연료전지 시스템 내에서 장시간 사용이 가능해진다.The above-described circulation tank 400 is provided with, for example, a lower section having an outlet for supplying water to the outside, and an inlet through which the effluent from the cathode is introduced and a vent for venting gas. It may include an upper region. In addition, the above-described circulation tank 400 may be provided between the lower region and the upper region, and may further include a separator for improving the condensation effect by contacting water falling into the lower region with water vapor rising to the upper region. In addition, the above-described circulation tank 400 may be provided with a measuring device for detecting a change in the flow rate of water. In addition, the water stored in the circulation tank 400 may be supplied to the reformer 200 through a filter device including a pretreatment filter, an ion exchange resin filter, and the like. In this case, water can be used for a long time in the fuel cell system.

상술한 구성에 의하면, 부탄을 주성분으로 하는 연료를 개질하는 경우와 같이 각 반응부의 반응온도 차이가 큰 경우에도 각 반응부의 반응온도를 용이하게 조절할 수 있는 콤팩트한 고효율의 평판형 개질기를 채용함으로써, 연료전지 시스템 의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있고, 아울러 연료전지 시스템의 소형화에 기여할 수 있다.According to the above structure, even when the reaction temperature difference of each reaction part is large, such as when reforming a fuel containing butane as a main component, by adopting a compact and highly efficient plate type reformer that can easily adjust the reaction temperature of each reaction part, It is possible to improve the overall efficiency of the fuel cell system and contribute to the miniaturization of the fuel cell system.

도 6은 도 5의 연료전지 시스템에 채용가능한 고분자 전해질형 연료전지를 개략적으로 나타내는 도면이다.FIG. 6 is a schematic view of a polymer electrolyte fuel cell employable in the fuel cell system of FIG. 5.

도 6을 참조하면, 고분자 전해질형 연료전지(300a)는 고분자 전해질막을 중심으로 양쪽에 다공질의 애노드와 캐소드가 부착되어 있는 형태로 구성된다. 보다 구체적으로, 고분자 전해질형 연료전지(300a)는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자 전해질막(301)과, 고분자 전해질막(301)의 양측에 부착되며 소위 산화전극 또는 연료극으로 불리우는 애노드 전극(302)과 환원전극 또는 공기극으로 불리우는 캐소드 전극(303)을 구비한다. 애노드 전극(302)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가 일어나고, 캐소드 전극(303)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 발생되는 전자의 이동으로 인해 전기 에너지가 발생된다. 각 전극에서의 반응식과 총 반응식을 다음과 같다.Referring to FIG. 6, the polymer electrolyte fuel cell 300a has a form in which a porous anode and a cathode are attached to both sides of the polymer electrolyte membrane. More specifically, the polymer electrolyte fuel cell 300a includes a polymer electrolyte membrane 301 having hydrogen ion exchange characteristics and an anode electrode 302 attached to both sides of the polymer electrolyte membrane 301 and called a cathode or a fuel electrode. And a cathode electrode 303 called a cathode or cathode. Electrochemical oxidation of hydrogen as a fuel occurs at the anode electrode 302, and electrochemical reduction of oxygen as an oxidant occurs at the cathode electrode 303, and electrical energy is generated due to the movement of electrons generated at this time. The reaction scheme and total reaction formula for each electrode are as follows.

애노드 : H2(g) → 2H+ + 2e- Anode: H 2 (g) → 2H + + 2e -

캐소드 : 1/2O2(g) + 2H+ + 2e- → H2O(l) Cathode: 1 / 2O 2 (g) + 2H + + 2e - → H 2 O (l)

총 반응식 : H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(l)Total reaction equation: H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g) → H 2 O (l)

또한, 고분자 전해질형 연료전지는 스택(stack)을 구성하기 위한 분리판(separator)(미도시)을 구비할 수 있다. 상술한 경우, 스택은 고분자 전해질막(301)의 양측에 애노드 전극(302)과 캐소드 전극(303)이 부착된 막-전극 어셈블리(membrane-electrode Assembly, MEA)와 분리판으로 이루어지는 단위전지(single cell)를 수십, 수백개씩 적층하여 구성된다.In addition, the polymer electrolyte fuel cell may include a separator (not shown) for constructing a stack. In the above-described case, the stack is a unit cell including a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator plate having an anode electrode 302 and a cathode electrode 303 attached to both sides of the polymer electrolyte membrane 301. dozens, hundreds of cells) are stacked.

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.The polymer electrolyte fuel cell described above has the characteristics of high efficiency, high current density and high output density, short start-up time and fast response to load changes. And because it can produce a wide range of output, it can be applied to a wide variety of fields, such as power source of pollution-free vehicle, on-site power generator, mobile power.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation by a person of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of this invention is carried out. This is possible.

상술한 구성에 의하면, 평판형 개질기에 있어서 각 반응부간의 열전도율을 높여 반응 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 각 반응부 사이에 열전도율이 다른 재료를 삽입하여 각 반응부 간의 열전도율을 증가시키거나 감소시킴으로써, 각 반응부의 반응 온도를 적절히 제어할 수 있다. 특히, 부탄 등의 탄화수소의 수증기 개질기와 같이, 반응부 간의 반응온도 차이가 큰 경우에도 각 반응부의 반응온도를 적절히 제어할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 부탄연료 가스를 이용하는 연료전지 시스템에 용이하게 적용할 수 있는 소형화된 평판형 개질기를 제공할 수 있다.According to the above-described configuration, the reaction efficiency can be improved by increasing the thermal conductivity between the reaction units in the plate reformer. In addition, by inserting a material having a different thermal conductivity between each of the reaction units, the reaction temperature of each reaction unit can be appropriately controlled by increasing or decreasing the thermal conductivity between the respective reaction units. In particular, there is an advantage that the reaction temperature of each reaction unit can be appropriately controlled even when the reaction temperature difference between the reaction units is large, such as steam reformers of hydrocarbons such as butane. In addition, it is possible to provide a miniaturized flat type reformer that can be easily applied to a fuel cell system using butane fuel gas.

Claims (21)

내부에 산화 촉매층이 위치하고, 연소연료를 산화제와 반응시켜 열에너지를 발생시키는 연소 반응부;An oxidation catalyst layer disposed therein, and a combustion reaction unit generating thermal energy by reacting combustion fuel with an oxidant; 내부에 개질 촉매층이 위치하며, 상기 연소 반응부의 열에너지에 의한 개질 반응을 통해 개질연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 발생시키는 개질 반응부;A reforming reaction unit having a reforming catalyst layer disposed therein and generating a reformed gas rich in hydrogen from the reforming fuel through a reforming reaction by thermal energy of the combustion reaction unit; 상기 연소 반응부와 상기 개질 반응부와의 사이에 삽입설치되며, 상기 연소 반응부와 상기 개질 반응부의 하우징보다 열전도율이 높은 열분배판;A heat distribution plate inserted between the combustion reaction unit and the reforming reaction unit and having a higher thermal conductivity than a housing of the combustion reaction unit and the reforming reaction unit; 상기 개질연료와 물이 유입되는 채널이 내부에 형성되고 상기 연소 반응부의 열에너지에 의해 상기 개질연료 및 상기 물을 예열하는 예열부; 및A preheating unit having a channel through which the reformed fuel and water are introduced therein and preheating the reformed fuel and the water by thermal energy of the combustion reaction unit; And 상기 예열부와 상기 연소 반응부 사이에 삽입설치되며, 상기 예열부의 하우징보다 열전도율이 낮은 열차단판을 포함하는 평판형 개질기.And a heat shield plate inserted between the preheater and the combustion reaction part, the heat shield having a lower thermal conductivity than the housing of the preheater. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연소 반응부와 상기 개질 반응부의 서로 마주하며 접합되는 두 면 중 적어도 어느 하나의 면에는 상기 열분배판이 삽입되는 오목부가 설치되는 평판형 개질기.And a concave portion into which the heat distribution plate is inserted in at least one of two surfaces of the combustion reaction unit and the reforming reaction unit facing and joined to each other. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연소 반응부와 상기 예열부의 서로 마주하며 접합되는 두 면 중 적어도 어느 하나의 면에는 상기 열차단판이 삽입되는 오목부가 설치되는 평판형 개질기.And a concave portion into which the heat shield plate is inserted, at least one of two surfaces of the combustion reaction portion and the preheating portion facing and joined to each other. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 하우징은 알루미늄 및 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 중 어느 하나의 재료로 이루어지는 평판형 개질기.And said housing is made of a material of any one of aluminum and an alloy containing aluminum as a main component. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 열분배판은 구리, 은, 금 및 이들의 합금 중 적어도 어느 하나의 재료 또는 탄소복합재료로 이루어지고, 상기 열차단판은 탄소복합재료로 이루어지는 평판형 개질기.Wherein said heat distribution plate is made of at least one of copper, silver, gold and alloys thereof, or a carbon composite material, and the heat shield plate is made of a carbon composite material. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 개질연료는 부탄을 포함한 탄화수소계 연료인 평판형 개질기.The reforming fuel is a flat reformer that is a hydrocarbon fuel including butane. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 일정 함량 이하로 저감시키는 일산화탄소 저감부; 및A carbon monoxide reduction unit for reducing carbon monoxide contained in the reforming gas to a predetermined content or less; And 상기 예열부와 상기 일산화탄소 저감부와의 사이에 삽입설치되며, 상기 예열부와 상기 일산화탄소 저감부의 하우징보다 열전도율이 낮은 제2 열차단판을 추가적으로 포함하는 평판형 개질기.And a second heat shield plate inserted between the preheating unit and the carbon monoxide reducing unit, the second heat shield having a lower thermal conductivity than a housing of the preheating unit and the carbon monoxide reducing unit. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 일산화탄소 저감부는, 수증기를 첨가하여 일산화탄소를 수소와 이산화탄소로 전환하는 수성가스 전환부, 및 산화 반응으로 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 선택적 산화부를 포함하는 평판형 개질기.The carbon monoxide reducing unit includes a water gas conversion unit for converting carbon monoxide to hydrogen and carbon dioxide by adding steam, and a selective oxidation unit for converting carbon monoxide to carbon dioxide by an oxidation reaction. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 수성가스 전환부 및 상기 선택적 산화부 중 적어도 하나는 반응온도 제어를 위한 열교환기를 구비하는 평판형 개질기.At least one of the water gas conversion unit and the selective oxidation unit comprises a heat exchanger for controlling the reaction temperature. 개질연료 및 연소연료를 공급하는 연료공급 장치;A fuel supply device for supplying reformed fuel and combustion fuel; 상기 개질연료를 처리하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질 장치; 및A reformer for treating the reformed fuel to produce a reformed gas rich in hydrogen; And 상기 개질 가스와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지를 포함하되,It includes a fuel cell for generating electrical energy by electrochemically reacting the reforming gas and the oxidant, 상기 개질 장치는, 상기 연소연료와 산화제가 반응하여 열에너지를 발생시키도록 산화 촉매층이 내부에 위치하는 연소 반응부와; 상기 연소 반응부의 열에너지에 의한 개질 반응을 통해 상기 개질연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 촉매층이 내부에 위치하는 개질 반응부; 상기 연소 반응부와 상기 개질 반응부와의 사이에 삽입 설치되며, 상기 연소 반응부 및 상기 개질 반응부의 하우 징보다 열전도율이 높은 열분배판; 상기 개질연료와 물이 유입되는 채널이 내부에 형성되고 상기 연소 반응부의 열에너지에 의해 상기 개질연료 및 상기 물을 예열하는 예열부; 및 상기 예열부와 상기 연소 반응부 사이에 삽입설치되며, 상기 예열부의 하우징보다 열전도율이 낮은 열차단판을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The reforming apparatus includes: a combustion reaction unit in which an oxidation catalyst layer is positioned inside such that the combustion fuel and the oxidant react to generate thermal energy; A reforming reaction unit having a reforming catalyst layer for generating a reformed gas rich in hydrogen from the reforming fuel through a reforming reaction by thermal energy of the combustion reaction unit; A heat distribution plate inserted between the combustion reaction unit and the reforming reaction unit and having a higher thermal conductivity than a housing of the combustion reaction unit and the reforming reaction unit; A preheating unit having a channel through which the reformed fuel and water are introduced therein and preheating the reformed fuel and the water by thermal energy of the combustion reaction unit; And a heat shield plate inserted between the preheating unit and the combustion reaction unit and having a lower thermal conductivity than the housing of the preheating unit. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 연소 반응부의 하우징 및 상기 개질 반응부의 하우징은 서로 마주하는 두 면 중 적어도 어느 하나의 면에는 상기 열분배판이 삽입되는 제1 오목부가 설치되며, 상기 예열부의 하우징 및 상기 연소 반응부의 하우징은 서로 마주하는 두 면 중 적어도 어느 하나의 면에는 상기 열차단판이 삽입되는 제2 오목부가 설치되는 연료전지 시스템.The housing of the combustion reaction unit and the housing of the reforming reaction unit have at least one of two surfaces facing each other with a first concave portion into which the heat distribution plate is inserted, and the housing of the preheating unit and the housing of the combustion reaction unit face each other. At least one of the two surfaces of the fuel cell system is provided with a second concave portion is inserted into the heat shield plate. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, wherein 상기 하우징은 알루미늄 및 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 열분배판은 구리, 은, 금 및 이들의 합금 중 적어도 어느 하나의 재료 또는 탄소복합재료로 이루어지며, 상기 열차단판은 복합재료로 이루어지는 연료전지 시스템.The housing is made of any one of aluminum and an aluminum-based alloy, the heat distribution plate is made of at least one material or carbon composite material of copper, silver, gold and their alloys, and the heat shield plate is a composite material Fuel cell system consisting of. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 개질연료는 부탄을 포함한 탄화수소계 연료인 연료전지 시스템.The reformed fuel is a fuel cell system including a hydrocarbon fuel including butane. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 저감시키는 일산화탄소 저감부; 및A carbon monoxide reduction unit for reducing carbon monoxide contained in the reformed gas; And 상기 예열부와 상기 일산화탄소 저감부와의 사이에 삽입설치되며, 상기 예열부와 상기 일산화탄소 저감부의 하우징보다 열전도율이 낮은 제2 열차단판을 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.And a second heat shield plate inserted between the preheating unit and the carbon monoxide reducing unit and having a lower thermal conductivity than a housing of the preheating unit and the carbon monoxide reducing unit. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 일산화탄소 저감부는, 수증기를 첨가하여 일산화탄소를 수소와 이산화탄소로 전환하는 수성가스 전환부; 및 산화 반응으로 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 선택적 산화부를 포함하는 연료전지 시스템.The carbon monoxide reducing unit may include: a water gas converting unit converting carbon monoxide into hydrogen and carbon dioxide by adding steam; And a selective oxidation unit converting carbon monoxide to carbon dioxide by an oxidation reaction. 제 15 항에 있어서,The method of claim 15, 상기 수성가스 전환부 및 상기 선택적 산화부 중 적어도 하나는 반응온도 제어를 위한 열교환기를 구비하는 연료전지 시스템.At least one of the water gas conversion unit and the selective oxidation unit has a heat exchanger for controlling a reaction temperature. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 연료 전지의 애노드측 오프 가스를 상기 개질연료로서 상기 개질 장치에 공급하기 위한 배관을 추가적으로 구비하는 연료전지 시스템.And a pipe for supplying the anode off-gas of the fuel cell to the reforming device as the reforming fuel. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 연료 전지의 캐소드측에서 유출되는 물을 상기 개질 장치에 공급하기 위한 순환 장치를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.And a circulation device for supplying the reformer with water flowing out from the cathode side of the fuel cell. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 개질 장치 및 상기 전기발생부에 물을 공급하는 물공급 장치와 공기를 공급하는 공기공급 장치를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.And a water supply device for supplying water to the reformer, the electricity generator, and an air supply device for supplying air. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 연료공급 장치로부터 상기 개질장치로 공급되는 상기 부탄을 함유한 개질연료에서 유기 황화합물을 제거하는 탈황 장치를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.And a desulfurization device for removing organic sulfur compounds from the butane-containing reformed fuel supplied from the fuel supply device to the reformer. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 연료전지는 고분자 전해질막을 구비한 고분자 전해질형 연료전지인 연료전지 시스템.The fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell having a polymer electrolyte membrane.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100830255B1 (en) * 2007-08-06 2008-05-16 전남대학교산학협력단 Method for producting and separating high-purity oxygen and hydrogen from fossil fuel without causing carbon dioxide

Cited By (1)

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KR100830255B1 (en) * 2007-08-06 2008-05-16 전남대학교산학협력단 Method for producting and separating high-purity oxygen and hydrogen from fossil fuel without causing carbon dioxide

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