KR20070025160A - Plate type reformer and fuel cell system having same - Google Patents
Plate type reformer and fuel cell system having same Download PDFInfo
- Publication number
- KR20070025160A KR20070025160A KR1020050080990A KR20050080990A KR20070025160A KR 20070025160 A KR20070025160 A KR 20070025160A KR 1020050080990 A KR1020050080990 A KR 1020050080990A KR 20050080990 A KR20050080990 A KR 20050080990A KR 20070025160 A KR20070025160 A KR 20070025160A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- unit
- fuel
- reforming
- reaction
- combustion
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
- C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
- C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
- H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
- H01M8/0631—Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
- C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/06—Integration with other chemical processes
- C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/16—Controlling the process
- C01B2203/1628—Controlling the pressure
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020050080990A KR20070025160A (en) | 2005-08-31 | 2005-08-31 | Plate type reformer and fuel cell system having same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020050080990A KR20070025160A (en) | 2005-08-31 | 2005-08-31 | Plate type reformer and fuel cell system having same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20070025160A true KR20070025160A (en) | 2007-03-08 |
Family
ID=38099460
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020050080990A KR20070025160A (en) | 2005-08-31 | 2005-08-31 | Plate type reformer and fuel cell system having same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20070025160A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
-
2005
- 2005-08-31 KR KR1020050080990A patent/KR20070025160A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8486162B2 (en) | Reformer for fuel cell system and fuel cell system having the same | |
US8043389B2 (en) | Fuel cell heat recovering reformer and system | |
CA2483224C (en) | Bipolar plate assembly, fuel cell stacks and fuel cell systems incorporating the same | |
US8318363B2 (en) | Reformer for fuel cell system and fuel cell system comprising the same | |
JP2003535450A (en) | Fuel cell and fuel cell system containing non-aqueous electrolyte | |
KR100981109B1 (en) | Unified Fuel Processing Reactor for Solid Oxide Fuel Cell | |
US20090068512A1 (en) | Hydrogen refueling station | |
US7470294B2 (en) | Fuel processor design and method of manufacture | |
US20050214614A1 (en) | Fuel cell system | |
KR100646985B1 (en) | Plate type fuel reforming system and fuel cell system having the same | |
US7674542B2 (en) | Fuel cell system | |
US6913846B2 (en) | Integrated fuel cell system | |
KR100658289B1 (en) | Separator having heating gas inlet portion and fuel cell system having the same | |
KR20070025160A (en) | Plate type reformer and fuel cell system having same | |
US7935315B2 (en) | Reformer for a fuel cell system, reaction substrate therefor, and manufacturing method for a reaction substrate | |
KR20060112276A (en) | Micro reforming apparatus for fuel cell | |
KR100560495B1 (en) | Reformer for fuel cell system and fuel cell system having thereof | |
KR101030045B1 (en) | Reformer for fuel cell system and fuel cell system comprising the same | |
KR100671671B1 (en) | Fuel reforming system and fuel cell system having the same | |
KR100639012B1 (en) | Prox reactor for fuel cell and fuel cell system having the same | |
KR100560442B1 (en) | Fuel cell system | |
KR100570685B1 (en) | Carbon monoxide remover, and fuel cell system comprising the carbon monoxide remover | |
JP2005063789A (en) | Hydrogen manufacturing device and fuel cell system | |
JP2005089209A (en) | Reforming equipment, and fuel cell system | |
KR20070075041A (en) | Fuel cell system having heat supplying plate |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
WITN | Withdrawal due to no request for examination |