KR20070042660A - 연료 개질장치 - Google Patents

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KR20070042660A
KR20070042660A KR1020050098519A KR20050098519A KR20070042660A KR 20070042660 A KR20070042660 A KR 20070042660A KR 1020050098519 A KR1020050098519 A KR 1020050098519A KR 20050098519 A KR20050098519 A KR 20050098519A KR 20070042660 A KR20070042660 A KR 20070042660A
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김주용
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서동명
김진광
안진구
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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질장치는, 산화 촉매에 의한 기체 연료의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 열 에너지에 의한 상기 기체 연료의 개질 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하며, 상기 열원부는 상기 산화 촉매를 이의 반응 개시 온도 범위로서 예열시키기 위한 히팅부재를 포함하고, 상기 히팅부재의 표면에 상기 산화 촉매를 코팅 형성하여 구성된다.
연료개질장치, 개질기, 열원부, 개질반응부, 초기기동, 히팅부재, 열선, 산화촉매, 코팅, 반응개시, 예열

Description

연료 개질장치 {APPARATUS FOR REFORMING FUEL}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 개질장치의 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 개질장치의 구성을 도시한 단면 구성도이다.
본 발명은 연료 개질장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료의 산화 반응에 의해 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용하여 연료로부터 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시키는 연료 개질장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화 수소 계열의 연료를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Membrane Fuel Cell)(당 업계에서는 통상적으로 "직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)" 라고도 한다.)로 구분될 수 있다.
이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지는 출력 특성이 탁월하며, 작동 온도가 낮고, 빠른 시동 및 응답 특성으로 인해 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
이와 같은 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템은 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 "스택" 이라 한다)와, 연료를 개질하여 수소를 함유하고 있는 개질 가스 발생시키고 이 개질 가스를 스택으로 공급하는 연료 개질장치와, 산화제 가스를 스택으로 공급하기 위한 산화제 가스 공급장치를 구비한다. 따라서 스택에서는 연료 개질장치로부터 공급되는 개질 가스, 및 산화제 공급장치로부터 공급되는 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
이 중에서, 연료 개질장치는 산화 촉매에 의한 연료의 산화 방식으로 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 이 열 에너지를 이용한 연료의 개질 반응에 의해 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하여 구성된다. 이 때, 열원부는 메탄올, 에탄올 등과 같은 액체 연료 또는 LPG, LNG 등과 같은 기체 연료의 산화 방식으로 열 에너지를 발생시킬 수 있다.
종래의 연료 개질장치에 있어, 기체 연료에 의한 산화 방식의 열원부를 채용하는 경우, 이 열원부는 상온에서 산화 촉매에 의한 기체 연료의 산화 반응을 일으키지 못하게 되는 바, 산화 촉매를 일정한 온도로 예열하여 기체 연료의 산화 반응 을 가능케 하는 별도의 예열기를 필요로 한다.
그런데, 종래의 연료 개질장치는 초기 기동시 예열기를 이용하여 열원부의 외부에서 이 열원부에 열을 가함으로써 산화 촉매를 이의 고유한 반응 개시 온도 범위로서 예열시키게 되는 바, 산화 촉매에 대한 열 전달이 원활하게 이루어지지 않아 초기 기동 시간이 길어지게 되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 연료 개질장치는, 기체 연료에 의한 착화 연소 방식의 열원부를 채용하는 경우, 이 열원부의 위치에 따라 전체 개질장치의 에너지 효율이 달라지게 되고, 화염으로 인해 열원부가 산화되면서 결과적으로는 열원부의 내구성이 저하됨에 따라 이 열원부를 수시로 교체해야 하는 등 전체 개질장치의 수명이 단축되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로, 그 목적은 초기 기동시 전열선을 이용하여 산화 촉매를 예열함으로써 초기 기동 시간을 단축시킴은 물론 전체 장치의 에너지 효율을 향상시키면서 열원부의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료 개질장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 개질장치는, 산화 촉매에 의한 기체 연료의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 열 에너지에 의한 상기 기체 연료의 개질 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하며, 상기 열원부는 상기 산화 촉매를 이의 반응 개시 온도 범위로서 예열시키기 위한 히팅부재를 포함하고, 상기 히팅부재의 표면에 상기 산화 촉매를 코팅 형성하여 구성된다.
상기 연료 개질장치는, 제1 도관과, 상기 제1 도관의 내부에 배치되는 제2 도관으로서 이루어질 수 있다.
상기 연료 개질장치에 있어서, 상기 열원부는 상기 제2 도관의 내부 공간에 상기 히팅부재를 설치하여 구성될 수 있다.
상기 연료 개질장치에 있어서, 상기 히팅부재는 상기 제2 도관의 길이 방향을 따라 길게 배치되며, 소정의 전원에 의하여 발열되는 적어도 하나의 열선으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 히팅부재는 상기 제2 도관의 길이 방향을 따라 코일 형태로서 배치될 수도 있다.
상기 연료 개질장치에 있어서, 상기 열원부는 상기 제2 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 기체 연료를 상기 제2 도관의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 제2 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 제2 도관의 내부 공간에서 상기 기체 연료가 연소될 때 발생하는 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함할 수 있다.
상기 연료 개질장치에 있어서, 상기 개질 반응부는 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역에 개질 촉매를 충진 형성하여 이루어질 수 있다.
상기 연료 개질장치에 있어서, 상기 개질 반응부는 상기 제1 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 기체 연료를 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역으로 주입시키기 위한 제2 주입구와, 상기 제1 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구를 포함할 수 있다.
상기 연료 개질장치는, 상기 산화 촉매의 반응 개시 온도 범위가 150~300℃를 만족하는 것이 바람직하다.
상기 연료 개질장치는, 상기 열원부로부터 발생되는 열 에너지의 온도 범위가 600~700℃를 만족하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 개질장치의 구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 단면 구성도이다.
이 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 개질장치(100)를 설명하면, 이 연료 개질장치(100)는 LPG 또는 LNG와 같은 기체 연료, 바람직하게는 부탄을 주성분으로 하는 액화 가스 연료를 연소시켜 열을 발생시키고, 이 열을 이용한 기체 연료의 개질 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 구조로서 이루어진다.
이러한 연료 개질장치(100)는, 개질 가스의 산화 반응 및 산화제 가스의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 연료 전지 시스템에 채용되는 바, 상기 고분자 전해질형 연료 전지로서 구성 되는 스택으로 개질 가스를 제공하는 기능을 하게 된다.
상술한 바와 같은 연료 개질장치(100)는, 기체 연료의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 열원부(10)와, 이 열 에너지에 의한 기체 연료의 개질 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부(30)를 포함하여 구성된다.
이러한 연료 개질장치(100)는 동심원을 갖는 이중 관로 형태의 본체(50)로서 구성되는 바, 이 본체(50)는 제1 도관(51)과, 제1 도관(51)의 내부에 배치되는 제2 도관(52)을 구비한다.
제1 도관(51)은 소정의 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 제2 도관(52)은 제1 도관(51) 보다 상대적으로 작은 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 이 때, 제2 도관(52)은 이의 외주면과 제1 도관(51)의 내주면이 일정 간격으로 이격되게 제1 도관(51)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다.
이와 같이 구성되는 연료 개질장치(100)에 있어, 본 실시예에 의한 열원부(10)는 기체 연료를 연소시켜 개질 반응부(30)의 개질 반응에 필요한 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 개질 반응부(30)에 제공하기 위한 것이다.
열원부(10)는 뒤에서 더욱 설명하는 산화 촉매(11)에 의한 기체 연료와 공기의 산화 반응을 통해 개질 반응부(30)의 개질 반응에 필요한 온도 범위 대략 600~700℃의 열 에너지를 발생시킨다.
이러한 열원부(10)는 기체 연료와 공기를 제2 도관(52)의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구(13)를 제2 도관(52)의 일측 단부에 형성하고 있다. 그리고, 열원부(10)는 제2 도관(52)의 내부에서 기체 연료와 공기가 연소될 때 발생하는 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구(15)를 제2 도관(52)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다.
본 실시예에서, 개질 반응부(30)는 본체(50)의 제1 도관(51)과 제2 도관(52) 사이의 영역에 개질 촉매(31)를 충진 형성하여 이루어지는 바, 이 개질 촉매(31)에 의한 기체 연료의 개질 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 구조로서 이루어진다.
여기서, 개질 반응부(30)는 기체 연료의 개질 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응, 더욱 바람직하게는 열 에너지를 이용한 기체 연료와 물의 수증기 개질(Steam Reforming) 반응을 통해 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 구조로서 이루어진다.
이러한 개질 반응부(30)에 있어, 개질 촉매(31)는 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt)과 같은 촉매 물질을 담지하여 형성될 수 있다.
이에 더하여, 개질 반응부(30)에는 제1 도관(51)과 제2 도관(52) 사이의 영역으로 기체 연료와 물을 주입시키기 위한 제2 주입구(33)를 제1 도관(51)의 일측 단부에 형성하고 있다. 그리고 개질 반응부(30)에는 제1 도관(51)과 제2 도관(52) 사이의 공간에서 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 발생되는 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구(35)를 제1 도관(51)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다. 이 때, 제2 배출구(35)는 통상적인 파이프 라인 등을 통해 언급한 바 있는 고분자 전해질형 연료 전지로서 구성되는 스택(도시하지 않음)과 연결될 수 있다.
본 발명에서, 개질 반응부(30)는 개질 촉매(31)에 의한 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 예를 설명하고 있으나, 이는 예시적인 실시예에 불과할 뿐 반드시 이에 한정되지 않고, 메탄올, 에탄올과 같은 액체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 개질 가스를 발생시킬 수도 있다.
상기와 같이 구성되는 연료 개질장치(100)의 초기 기동시, 열원부(10)는 상온에서 기체 연료와 공기가 산화 촉매(11)에 의하여 산화 반응을 일으킬 수 없기 때문에, 기체 연료와 공기의 산화 반응이 개시되는 온도 범위의 열 에너지를 산화 촉매(11)에 제공할 필요가 있다.
이에, 본 실시예에 의한 연료 개질장치(100)에 있어, 열원부(10)는 본 장치(100)의 초기 기동시 산화 촉매(11)를 이의 반응 개시 온도 범위로서 예열시키기 위한 히팅부재(17)를 포함하고 있다.
이 히팅부재(17)는 제2 도관(52)의 내부 공간에 이의 내부 중심 방향을 따라 길게 배치되는 열선(19)으로서 이루어지는 바, 이 열선(19)은 소정 전원을 인가받아 전기 저항을 이용하여 열 에너지를 발생시키는 공기 기술의 전열선으로서 구성 된다. 이 때, 본 실시예에 의한 열선(19)은 산화 촉매(11)의 반응 개시 온도 범위에 상응하는 대략 150~300℃의 열 에너지를 발생시킨다.
여기서, 열선(19)은 도 2에 도시한 바와 같이, 제2 도관(52)의 내부 공간에 단일로서 구비되어 제2 도관(52)의 길이 방향을 따라 길게 배치되는 바, 반드시 이에 한정되지 않고 복수개로서 구비될 수도 있다.
한편, 이상에서 언급한 바 있는 산화 촉매(11)는 열선(19)의 표면에 코팅되어 형성되고 있다. 따라서, 산화 촉매(11)는 본 장치(100)의 초기 기동시, 열선(19)으로부터 발생되는 열 에너지를 제공받아 고유의 반응 개시 온도 범위(대략 150~300℃)로서 예열된다. 이 때, 산화 촉매(11)는 기체 연료와 공기의 산화 반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 백금(Pt), 루테늄(Ru)과 같은 통상적인 촉매 물질로서 이루어진다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 개질장치(100)의 작용을 살펴보면, 본 장치(100)의 초기 기동시, 전원(도시하지 않음)은 열선(19)에 소정의 전기 에너지를 인가하게 된다. 그러면, 열선(19)은 전기 저항에 의하여 소정 온도의 열 에너지를 발생시키게 된다. 따라서, 산화 촉매(11)는, 열선(19)의 표면에 코팅 형성되고 있기 때문에, 열선(19)으로부터 발생되는 열 에너지를 제공받아 기체 연료와 공기의 산화 반응을 일으킬 수 있는 반응 개시 온도 범위 대략 150~300℃로서 예열되게 된다.
이어서, 본 장치(100)의 정상 구동이 이루어지는 시점으로, 기체 연료와 공기는 열원부(10)의 제1 주입구(13)를 통해 제2 도관(52)의 내부 공간으로 공급된 다. 그러면, 열원부(10)에서는 상기 산화 촉매(11)에 의한 기체 연료와 공기의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위 즉, 개질 반응부(30)의 개질 반응에 필요한 대략 600~700℃의 온도 범위를 유지하는 열 에너지를 발생시키게 된다. 따라서, 상기 온도 범위를 유지하는 열 에너지는 제2 도관(52)을 통해 개질 반응부(30)의 개질 촉매(31)에 제공된다.
이러한 과정을 거친 후, 기체 연료와 물은 개질 반응부(30)의 제2 주입구(33)를 통해 제1 도관(51)과 제2 도관(52) 사이의 영역으로 공급된다. 그러면, 개질 반응부(30)에서는 상기 개질 촉매(31)에 의한 기체 연료와 물의 수증기 개질(Steam Reforming) 반응이 진행되어 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시킨다.
따라서, 개질 가스는 개질 반응부(30)의 제2 배출구(35)를 통해 배출되어 스택으로 공급되는 바, 이 스택에서는 개질 가스 중에 함유된 수소의 산화 반응, 및 별도로 공급되는 공기의 환원 반응이 진행되어 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 개질장치의 구성을 도시한 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 개질장치(200)는 열선(119)이 제2 도관(152)의 내부 공간에 대해 코일 형태로서 배치되는 히팅부재(117)를 구성할 수 있다.
상기에서, 열선(119)은 제2 도관(152)의 내부 중심 방향을 따라 나선 형태로 코일링되며, 이의 표면에 전기 실시예에서와 같은 산화 촉매(111)를 코팅 형성하고 있다. 이와 같이, 열선(119)을 코일 형태로 구성한 이유는, 산화 촉매(111)에 대한 기체 연료와 공기의 접촉 면적을 극대화시키기 위함이다.
본 실시예에 의한 연료 개질장치(200)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 개질장치의 초기 기동시 전열선을 이용하여 산화 촉매를 반응 개시 온도 범위로서 신속하게 예열시킬 수 있으므로, 장치의 초기 기동 시간을 단축시킬 수 있게 되어 전체 장치의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 기체 연료의 착화 연소 방식에 의한 열원부를 채용하지 않으므로, 전체 장치의 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있으며, 화염에 의한 열원부의 손상이 줄어 듦에 따라 전체 장치의 수명을 더욱 연장시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 산화 촉매에 의한 기체 연료의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 열원부; 및
    상기 열 에너지에 의한 상기 기체 연료의 개질 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부
    를 포함하며,
    상기 열원부는,
    상기 산화 촉매를 이의 반응 개시 온도 범위로서 예열시키기 위한 히팅부재를 포함하고, 상기 히팅부재의 표면에 상기 산화 촉매를 코팅 형성하여 구성되는 연료 개질장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    제1 도관과, 상기 제1 도관의 내부에 배치되는 제2 도관으로서 이루어지는 연료 개질장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 열원부는 상기 제2 도관의 내부 공간에 상기 히팅부재를 설치하여 구성되는 연료 개질장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 히팅부재는,
    상기 제2 도관의 길이 방향을 따라 길게 배치되며, 소정의 전원에 의하여 발열되는 적어도 하나의 열선으로 이루어지는 연료 개질장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 히팅부재는,
    상기 제2 도관의 길이 방향을 따라 코일 형태로서 배치되며, 소정의 전원에 의하여 발열되는 적어도 하나의 열선으로 이루어지는 연료 개질장치.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 열원부는,
    상기 제2 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 기체 연료를 상기 제2 도관의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구와,
    상기 제2 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 제2 도관의 내부 공간에서 상기 기체 연료가 연소될 때 발생하는 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구
    를 포함하는 연료 개질장치.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 개질 반응부는 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역에 개질 촉 매를 충진 형성하여 이루어지는 연료 개질장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 개질 반응부는,
    상기 제1 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 기체 연료를 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역으로 주입시키기 위한 제2 주입구와,
    상기 제1 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구
    를 포함하는 연료 개질장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 산화 촉매의 반응 개시 온도 범위가 150~300℃를 만족하는 연료 개질장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 열원부로부터 발생되는 열 에너지의 온도 범위가 600~700℃를 만족하는 연료 개질장치.
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