KR20070085688A - 연료 전지 시스템에 사용되는 연료 공급원료의 전처리를위한 전처리 어셈블리 - Google Patents

연료 전지 시스템에 사용되는 연료 공급원료의 전처리를위한 전처리 어셈블리 Download PDF

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조셉 엠. 데일리
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퓨얼 셀 에너지, 인크
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Abstract

연료 전지용 고급 및 저급 탄화수소 함유물을 보유한 탄화수소와 산소를 함유하는 연료 공급원료의 처리를 위한 전처리 어셈블리 및 방법으로서, 여기서 전처리 어셈블리는 연료 공급원료 중의 산소를 감소시키기 위한 탈산소화 베드 및 연료 공급원료 중의 고급 탄화수소 함유물을 감소시키기 위한 예비개질 베드를 함유하고, 상기 탈산소화 베드 및 상기 예비개질 베드는 상기 연료 공급원료가 먼저 탈산소화 베드를 통해 흐른 뒤, 상기 예비개질 베드를 통해 흐르도록 공통 반응 용기 내에 배치되어 있다. 상기 예비개질 어셈블리는 추가로 연료 공급원료 중의 프로판과 프로필렌을 처리하기 위한 프로판 처리 베드를 포함할 수 있고, 이러한 프로판 처리 베드는 상기 탈산소화 베드 및 상기 예비개질 베드와 함께 공통 반응 용기 내에 배치된다.
전처리 어셈블리, 연료 전지, 탈산소화 베드, 예비개질 베드, 프로판 처리 베드

Description

연료 전지 시스템에 사용되는 연료 공급원료의 전처리를 위한 전처리 어셈블리{PRE-PROCESSING ASSEMBLY FOR PRE-PROCESSING FUEL FEEDSTOCKS FOR USE IN A FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템에 사용되는 탄화수소를 함유하는 연료 공급원료(fuel feedstock)의 처리, 구체적으로 상기 연료 공급원료의 전처리를 수행하는 전처리 어셈블리에 관한 것이다.
연료 전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학적 에너지를 전기화학 반응을 이용하여 전기 에너지로 직접 변환시키는 장치이다. 일반적으로, 연료 전지는, 전기적으로 하전된 이온을 전도하는 작용을 하는 전해질에 의해 분리되어 있는 애노드(anode)와 캐쏘드(cathode)를 함유한다. 용융된 탄산염 연료 전지는 연료 가스 반응물을 애노드를 통해 통과시키고, 산화 가스는 캐쏘드를 통해 통과시켜 작동한다. 유용한 전력 수준을 생산하기 위해, 다수의 각 연료 전지는 각 전지 사이에 전기전도성 격리판을 두고 연속적으로 적층된다.
현재 연료 전지는 연료 가스 반응물로서 수소 또는 수소화 일산화탄소의 혼합물로 구성된 클린 가스(clean gas)를 필요로 한다. 연료 가스 반응물은 일반적으로 탄화수소 함유 공급원료로부터 개질법에 의해 발생된다. 탄화수소 함유 공급원 료는 일반적으로 상당한 양의 저급 탄화수소(즉, 탄소수가 2개 이하인 탄화수소, 예컨대 메탄) 및 소량의 수소, 이산화탄소, 질소 및 고급 탄화수소(즉, 탄소수 3개 이상인 탄화수소)를 함유한다. 이것은, 예컨대 연료 공급원료가 천연가스, 첨두삭감(peak shaving) 가스, 분해기 가스 및 석탄층 메탄인 경우이다.
연료 공급원료는 보통 고급 탄화수소를 감소 또는 제거하고, 저급 탄화수소의 일부를 메탄, 수소 및 이산화탄소로 변환시키기 위해 전처리된다. 공급원료는 그 다음 개질 유닛에서 추가 처리되어 수소가 풍부한 연료 가스가 된다.
종래 전처리는 탈산소화제 어셈블리와 후속되는 예비개질 어셈블리를 이용하여 수행되었다. 탈산소화제 어셈블리는 공급원료가 예비개질 어셈블리로 유입되기 전에 연료 공급원료 중의 산소의 농도를 감소시킨다. 이것은, 산소의 존재 하에 실활될 수 있는 예비개질 어셈블리에 사용된 촉매(보통, Ni계 촉매)를 보호한다.
예비개질 어셈블리에서, 개질 반응은 부주의로 인해 연료 조성물 및 증기에 기초하여 탄소 형성을 초래할 수 있는 변환 방법이다. 탄소 형성은 연료 공급원료가 프로필렌을 함유할 때 특히 문제가 되는데, 그 이유는 프로필렌의 농도가 증가함에 따라 탄소를 형성하는 경향이 증가하기 때문이다. 생산된 탄소는 예비개질 어셈블리의 개질 촉매의 활성 부위에 침착하고, 이로써 촉매를 실활시킨다. 이것은 예비개질 어셈블리의 수명을 단축시킨다.
종래 예비개질 어셈블리에서의 탄소 형성을 감소시키기 위하여, 알칼리를 함유하거나 또는 활성 마그네시아 지지체를 주성분으로 하는 특별한 촉매가 제안되었다. 또 다른 기술은 단열처리를 사용하는 것이다. 이러한 경우에, 고정층 단열 예 비개질 어셈블리는 고급 탄화수소 함유물을 저온에서 증기를 이용하여 메탄, 수소 및 탄소 산화물로 변환시킨다.
프로필렌 함유 연료 공급원료는 일반적으로 고농도의 함황 화합물을 보유한다. 이 화합물은 또한 예비개질 어셈블리의 개질 촉매를 실활시키는 경향이 있다. 연료 공급원료는 통상 예비개질 어셈블리로 운반되기 전에 탈황제 유닛에서 탈황되지만, 연료 공급원료 중의 높은 황 농도와 프로필렌은 탈황제 유닛의 성능을 저하시킨다.
또한, 예비개질 어셈블리에 공급된 연료 공급원료에는 수소 공급원 유래의 수소가 추가로 공급되어야 한다. 이 단계는 개질 촉매를 위한 환원 환경을 유지시키기 위해 공급원료 중에 충분한 농도의 수소를 제공하여 촉매 활성을 유지시키는데 필요한 것이다.
잘 알고 있는 바와 같이, 연료 공급원료의 종래 전처리 방식은 수소 공급, 탄소 형성 감소 및 프로필렌 제거를 위한 추가 유닛 또는 특별 구성부재, 및 예비개질 어셈블리로 유입되는 산소를 제거하기 위한 추가 유닛의 필요성으로 인해 복잡하고 많은 경비가 든다. 이에 따라, 디자인이 간단하고 적은 경비가 들고 수명이 긴 전처리 어셈블리가 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 탄화수소와 산소를 함유하는 연료 공급원료를 전처리 촉매의 실활 없이 더욱 잘 처리할 수 있는 전처리 어셈블리를 제공하는 것이다.
또 다른 본 발명의 목적은 추가 수소 공급 없이 작동할 수 있고 작동 수명이 증가된 전처리 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 탄화수소 함유 연료 공급원료에 존재하는 프로필렌 및 다른 올레핀의 영향을 저지시키기 위해 특별하게 개조된 전처리 어셈블리를 제공하는 것이다.
발명의 개요
본 발명의 원리에 따르면, 전술한 목적 및 기타 목적들은, 연료 공급원료 중의 산소 함유량을 감소시키기 위한 탈산소화 유닛 및 이 탈산소화 유닛을 통해 통과한 연료 공급원료를 받아서 연료 공급원료 중의 고급 탄화수소 함유량을 감소시키기 위한 예비개질 유닛이 모두 공통 용기에 수용되어 있는, 고급 탄화수소 함유물 비롯한 탄화수소를 함유하는 연료 공급원료의 전처리 방법 및 전처리 어셈블리에 의해 실현된다. 이러한 전처리 수행 시, 어셈블리는 공급원료에 존재하는 저급 탄화수소 함유물의 일부를 감소시키고 수소 함유량을 증가시킨다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 양태에서, 예비개질 유닛은 연료 공급원료의 흐름 경로를 따라서 탈산소화 유닛 다음에 배열되고, 두 유닛은 베드 형태로 존재한다. 또한, 이러한 양태에서, 탈산소화 베드의 촉매는 알루미나 상의 Pt-Pd 촉매 또는 Pt-Rh계 촉매 또는 Rh-Pt계 알루미나 촉매 중 하나이고, 예비개질 베드의 촉매는 니켈계이며, C11-PR(Sud Chemie), CRG-F(Johnson Matthey), CRG-LH(Johnson Matthey) 및 G-180(BASF) 중 하나이다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 전처리 어셈블리는 추가로 연료 공급원료 중의 프로판 및 프로필렌을 처리하는 프로판 처리 유닛을 포함한다. 개시된 양태에 따르면, 프로판 처리 유닛은 베드 형태이며, 탈산소화 베드와 예비개질 베드 사이에 배열된다. 프로판 처리 베드는 니켈계 탄소 내성 촉매, 예컨대 FCR-HC59(Sud Chemie)를 보유한다.
전술한 특징 및 관점은 물론 본 발명의 다른 특징 및 관점도 첨부되는 도면과 연계된 이하 상세한 설명을 참고로 하면 더욱 분명하게 이해할 수 있을 것이다:
도 1은 본 발명의 원리에 따른 전처리 어셈블리를 이용하는 연료 전달 시스템을 보유한 연료 전지 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 전처리 어셈블리의 제1 양태를 도시한 세부 모식도이다.
도 3은 도 2의 탈산소화제의 성능 데이터를 정리한 표이다.
도 4는 도 1의 전처리 어셈블리의 제2 양태를 도시한 세부 모식도이다.
도 5는 도 4의 전처리 어셈블리의 성능 데이터를 도시한 그래피이다.
도 6은 다른 연료 유입 온도에서 도 4의 어셈블리에서 배출된 전처리된 연료 공급원료에 존재하는 잔류 프로판 농도를 도시한 그래프이다.
도 7은 HD-5 프로판 연료 공급원료 가스의 유입 가스 공간 속도가 다를 때, 배출되는 전처리된 연료 공급원료에 존재하는 성분 농도를 도시한 막대 그래프이다.
도 8은 5% 프로필렌을 보유한 HD-5 프로판 연료 공급원료 가스의 유입 가스 공간 속도가 다를 때, 배출되는 전처리된 연료 공급원료에 존재하는 성분 농도를 도시한 막대 그래프이다.
도 9는 도 4의 어셈블리의 성능 검사 동안의 조건 및 성능 결과를 정리한 표이다.
도 10은 5% 프로필렌을 보유한 유입 HD-5 프로판 연료 공급원료의 증기 대 탄소 비가 다를 때, 배출되는 전처리된 연료 공급원료에 존재하는 성분 농도를 도시한 막대 그래프이다.
도 11은 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스 성분 농도에 미치는, 도 4의 어셈블리에 유입되는 연료 공급원료 가스에 수소를 첨가한 효과를 도시한 그래프이다.
도 1은 본 발명의 원리에 따라 전처리 어셈블리(108)를 보유한 연료 전달 시스템(101)을 함유하는 연료 전지 시스템(100)을 도시한 것이다. 연료 전달 시스템(101)은 수소가 풍부한 연료를 연료 전지 어셈블리(112)로 전달하며, 연료 공급원(102)을 포함한다. 연료 공급원(102)은 상당량의 메탄 및 탄소 산화물(CO 및 CO2), 및 고급 탄화수소 함유물, 예컨대 에탄, 프로판 및 C4+ 탄화수소 및 산소와 수소의 양을 함유하는 연료 공급원료를 제공한다. 일반적으로, 연료 공급원료는 천연가스, 첨두 삭감(peak shaving) 가스, 분해기(digester) 가스, 프로판, 석탄층(coal bed) 메탄, HD-5 또는 LPG일 수 있다.
연료 전달 시스템(101)은 또한 탈황제(104), 예열기(106) 및 개질제(110)를 포함한다. 연료 공급원(102) 유래의 연료 공급원료는 탈황제(104)로 전달되고, 탈황제에서 연료 공급원료 중의 함황 화합물은 물리적 및/또는 화학적으로 제거된다. 탈황된 연료 공급원료는 그 다음 예열기(106)로 흐르고, 여기서 연료 전처리 어셈블리(108)로 전달되기 전에 적당한 온도, 예컨대 약 375℃까지 예열된다. 어셈블리(108)에서 배출되는 전처리된 연료 공급원료는 연료 전지 어셈블리(112)에 사용하기에 적합하다. 연료 전지 어셈블리(112)에서, 수소가 풍부한 연료는 전기화학적 반응을 일으켜 전력을 생산한다.
이하에 상세히 논의되는 바와 같이, 본 발명의 원리에 따르면, 전처리 어셈블리(108)는 연료 공급원료의 탈산소화 및 탈산소화된 연료 공급원료에 고급 탄화수소 함유물을 감소 또는 실질적으로 제거하기 위한 예비개질을 목적으로 하는, 공통 용기에 배치되거나 수용된 복수의 연료 처리 유닛을 포함한다. 이러한 예비개질 처리는 또한 저급 탄화수소 함유물을 수소로 변환시켜 그 저급 탄화수소 함유물을 감소시킴으로써, 결과적으로 어셈블리(108)에서 배출되는 전처리된 연료 공급원료는 고온 연료 전지 이용분야에 적합한 증가된 수소 함유량과 메탄을 갖는다.
전처리 어셈블리(108)의 제1 양태에 대한 세부 모식도는 도 2에 도시한 바와 같다. 도시한 바와 같이, 전처리 어셈블리(108)는 탈산소화제 베드(204) 및 예비개질 베드(206) 형태의 2개의 연료 처리 유닛을 포함한다. 이 베드들은 예열기(106)로부터 예열된 연료 공급원료를 받는 유입구(208) 및 전처리된 연료 공급원료를 연료 전지 어셈블리(112)로 배출하는 배출구(210)를 보유한 공통 용기(202) 안에 배열되거나 수용되어 있다.
도시한 바와 같이, 예비개질 베드(206)는 공급원료의 흐름 경로(201)를 따라 탈산소화제 베드(204) 다음에 배열된다. 또한, 일반적으로 메쉬 크기가 10 내지 14인 니켈 메쉬로 제조될 수 있는 스크린(212)으로 도시한 다공성 부재는 상기 베드들을 분리시키고 베드(204)의 지지체 역할을 한다. 그 다음, 전처리 베드(206)는 용기(202)의 하부면(202a) 위에 지지되어 있다.
탈산소화제 베드(204)는 통상 알루미나 상의 Pt/Pd(Sud Chemie Inc. 제품)일 수 있는 탈산소화 촉매를 함유한다. 다른 촉매, 예컨대 Pt-Rh계 촉매 및 Rh-Pd계 알루미나 촉매도 사용될 수 있다.
예비개질 베드(206)에 사용되는 촉매는 표준 니켈계 촉매일 수 있다. 그 예에는 니켈계 알루미나 촉매 또는 C11-Pr 촉매(Sud-Chemie Inc. 제품)가 있다. 또한, 다른 니켈계 촉매, 예컨대 CRG-F 및 CRG-LH(Johnson Matthey 제품) 또는 G-180(BASF 제품)도 역시 사용될 수 있다.
두 베드에 사용되는 촉매의 형태는 다양할 수 있다. 예를 들어, 제시된 경우에 따르면, 탈산소화제 베드(204) 및 예비개질 베드(206)에는 펠릿형 촉매가 사용된다. 또한, 촉매 코팅과 세라믹 모노리스 기질을 함유한 모노리스계 촉매 구조물도 각 베드에 사용하기에 적합하다.
앞에서 언급한 바와 같이, 전처리 어셈블리(108)는 연료 공급원료 중의 고급 탄화수소 함유물 및 산소 함유량을 감소시키거나 실질적으로 제거한다. 또한, 공급원료 중의 저급 탄화수소 함유물을 감소시키고 수소 함유량을 증가시킨다. 공통 용기(202) 내에 탈산소화제 베드(204) 및 예비개질 베드(206)의 배열로 인해, 전처리는 베드내 촉매의 실활 가능성을 감소시키고 연료 공급원료에 수소 공급원 유래의 수소를 첨가할 필요없이 실시된다.
구체적으로, 탈산소화제 베드(204)의 촉매는 연료 공급원료로부터 산소의 제거를 촉진한다. 공급원료가 탄광 메탄 또는 분해기 가스인 경우에, 산소는 촉매가 보조작용을 하는 공급원료 중의 메탄과 산소의 반응에 의해 다음과 같이 제거된다:
2CH4 + O2 → 2CO + 4H2 + 열
CH4 + O2 → CO2 + 2H2 + 열
공급원료가 첨두삭감 가스인 경우에, 산소는 다음과 같이 공급원료 중의 프로판과 산소의 반응에 의해 탈산소화제 베드(204)에서 제거된다:
C3H8 + 2O2 → 2CO + 2CO2 + 4H2 + 열
탈산소화제 베드(204)에서 산소의 제거는 예비개질 베드(206)에서 촉매의 실활을 방지한다. 또한, 이러한 촉매의 환원 환경을 유지시키는데 필요한 추가 수소를 생산한다. 예비개질 베드(206)에서, 탈산소화된 공급원료 중의 고급 탄화수소 함유물의 감소는 촉매가 보조작용을 하여 고급 탄화수소 함유물을 수소, 탄소 산화물 및 메탄의 혼합물로 변환시켜 일어난다. 저급 탄화수소 함유물의 감소 역시 변환을 통해 일어나고, 결과적으로 수소와 탄소 산화물이 증가한다. 구체적으로, 연료 중의 약 10%의 메탄은 개질되어 연료 전지 어셈블리 중의 전기화학적 반응을 위한 수소를 제공한다. 연료 중의 나머지 메탄은 연료 전지 어셈블리에서 내부적으로 개질된다. 변환 처리는 다음과 같은 반응으로 예시된다:
CnHm + nH2O → nCO + (m/2 + n)H2
CH4 + H2O → CO + 3H2
C3H8 + 2H2O → CO2 + 2CH4 + 2H2
앞에서 언급한 바와 같이, 탈산소화제 베드(204)는 연료 공급원료의 흐름 또는 흐름 경로(201)의 방향에 대해, 그리고 용기(202)의 유입구에 대해 용기에 가장 먼저 배치된다. 그 다음 예비개질 베드(206)가 흐름 경로(201) 방향으로 탈산소화제 베드(204) 다음에 배치된다. 앞에서 언급한 바와 같이, 이러한 배열은 예비개질 베드로 유입되기 전에 연료 공급원료로부터 산소를 제거하고, 이로써 베드 중의 촉매의 실활을 방지한다. 이로써 전처리 어셈블리(108)의 수명이 연장된다.
또한, 앞에서 확인할 수 있는 바와 같이, 베드(204)와 (206)에서의 탈산소화 및 예비개질 반응은 공급원료 중의 수소 함유량을 증가시킨다. 이것은 예비개질 베드(206) 중의 환원 환경을 유지시킨다. 구체적으로, 예비개질 베드(206)에서의 수소의 역확산은 이러한 환원 환경을 제공하여, 어셈블리(108)가 연료 공급원료에 수소의 추가 공급 없이 작동할 수 있게 한다.
베드(206)에서 수소가 역확산되는 양은 연료 공급원료의 공간 속도에 역비례 관계이다. 따라서, 예비개질 베드(206)를 통한 낮은 연료 공급원료 공간 속도의 유지는 그 베드에 충분한 수소 역확산을 실현시키는데 바람직하다.
잘 알고 있듯이, 공간 속도는 예비개질 베드(206)를 통한 연료 흐름에 정비례하고, 예비개질 베드(206) 중의 촉매의 부피에 역비례한다. 따라서, 연료 공급원료의 공간 속도는 예비개질 베드(206) 중의 촉매의 부피를 조정하고(하거나) 개질 베드(206)를 통해 흐르는 연료의 양을 변화시켜 다음과 같은 관계식에 따라 조절될 수 있다:
SV = 시간당 연료 흐름/촉매 부피
연료 공급원료의 공간 속도를 조절하는 것 외에도, 연료의 공탑 속도(superficial velocity)는 바람직한 양의 수소 역확산을 위해 조절되어야 한다. 공탑 속도는 연료가 흐르는 용기의 직경의 함수이다. 구체적으로, 공탑 속도는 연료 흐름에 정비례하고 예비개질 베드(206)의 직경에 역비례한다.
본 발명의 전처리 어셈블리(108)에서, 예비개질 베드(206)의 작동에 바람직한 공간 속도는 2,000 내지 5,000h-1 사이, 최대 공탑 속도는 약 1.3ft/s인 것으로 발견되었다.
더욱이, 예비개질 베드(206)는 도 1의 탈황제 유닛(104)에 의해 제거되지 않은 연료 공급원료에 존재하는 함황 화합물을 잡아내는 가드(guard)로서 작용하도록 추가 개조될 수 있다. 구체적으로, 예비개질 촉매 중의 니켈은 함황 화합물을 효과적으로 잡아내는데 적합하다. 이러한 추가 황 제거에 의해, 연료 전지 어셈블리(112)에 존재하는 개질 촉매의 작동 수명은 증가될 수 있다.
예비개질 어셈블리(108)의 최적 디자인은 특정 이용분야에 따라 달라질 수 있다. 고려되어야 하는 중요한 요인 중 일부는 연료 전지 어셈블리(112)의 필요조건, 처리되는 연료 가스의 종류 및 처리되는 가스의 양이다. 예비개질 어셈블리(108)의 예시적 예는 이하에 설명된다.
실시예 1
전처리 어셈블리(108)는 300kW 직접 연료 전지 전력 설비에 사용하기 위한 산소와 메탄을 함유하는 연료 공급원료의 처리를 위해 최적화되었다. 탈산소화제 베드(204)는 G-74D 촉매를 함유하고, 부피가 0.7ft3 이다. 예비개질 베드(206)는 C11-PR 촉매를 함유하고 부피가 2.5ft3이다. 탈산소화제 베드(204)는 두께가 약 4인치이고, 예비개질 베드(206)는 두께가 약 14.5인치이다. 공통 용기(202)는 304/310 스테인레스 강철로 만든 것이고 부피가 4ft3, 직경이 20인치이다.
유입구(208)를 통해 용기(202)로 유입되는 연료 공급원료의 최적 온도 및 배출구(210)를 통해 용기(202)에서 배출되는 전처리된 연료 공급원료의 최적 온도는 약 300 내지 490℃ 사이이다. 탈산소화제 베드(204)의 최적 작동 온도 범위는 300℃ 내지 600℃ 사이이고, 예비개질 베드(206)의 최적 작동 온도 범위는 320℃ 내지 540℃ 사이이다. 탈산소화제 베드(204)를 통해 흐르는 연료 공급원료의 공간 속도는 5,000 내지 12,000h-1 사이이고, 예비개질 베드(206)를 통해 흐르는 연료 공급원료의 공간 속도는 2,000 내지 5,000h-1 사이이다. 더욱이, 예비개질 베드(206)에서 바람직한 수소 역확산을 유지하기 위하여, 베드(206)를 통해 흐르는 연료 공급원료의 바람직한 최대 공탑 속도는 STP 조건 하에서 1.3ft/s이다.
전처리 어셈블리(108)의 성능은 메탄 6.31 lb-mol/hr, 이산화탄소 0.06 lb- mol/hr, 물 12.48 lb-mol/hr, 질소 0.08 lb-mol/hr, 에탄 0.17 lb-mol/hr 및 프로판 0.03 lb-mol/hr을 함유하는 연료 공급원료를 어셈블리(108)를 통해 통과시켜 검사했다. 탈산소화제 베드(204)로 유입되는 연료 공급원료의 온도는 약 425℃였고, 연료 공급원료의 공간 속도는 약 10,000hr-1였다. 예비개질 베드(206)를 떠나는 전처리된 연료의 온도는 약 320℃였고, 예비개질 베드(206)를 떠나는 예비개질된 연료의 공간 속도는 약 3,000hr- 1 이었다. 전처리 어셈블리를 이용하여 전처리된 연료는 수소 약 1.67 lb-mol/hr, 메탄 6.25 lb-mol/hr, 이산화탄소 0.53 lb-mol/hr, 물 11.54 lb-mol/hr 및 질소 0.08 lb-mol/hr를 함유했다. 이러한 성능 결과로부터 연료 공급원료에 존재하는 에탄 또는 프로판 모두가 어셈블리(108)에서 메탄, 수소 및 이산화탄소로 변환되었음을 확인할 수 있었다.
실시예 2
본 실시예는 실시예 1의 전처리 어셈블리(108)를 10% 이하의 산소가 혼입된 탄화수소 연료의 처리용으로 최적화한 것이다. 유입구(208)를 통해 용기(202)로 유입되는 연료 공급원료의 최적 온도 범위는 약 310℃ 내지 500℃ 범위이다.
도 2의 전처리 어셈블리(108)의 탈산소화 기능은 산소 함유 연료, 예컨대 혐기성 분해기 가스, 탄광 메탄 및 첨두 삭감 가스를 이용하여 입증했다. 본 실시예의 어셈블리(108)의 탈산소화 성능은 어셈블리(108)로 유입되는 연료 공급원료의 유입 온도를 변동시키고 탄화수소 연료의 산소 함유량을 변동시키면서 검사했다. 도 3은 이러한 검사 결과를 정리한 탈산소화제 성능 데이터 표이다. 검사 절차에 서, 유입 연료 공급원료의 산소 함량을 측정하고, 이 연료 공급원료를 어셈블리(108)로 유입시키기 전에 312℃ 내지 439℃ 범위의 다양한 온도까지 예열시켰다. 탈산소화제 베드(204)에서 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스에 존재하는 산소 농도 및 탈산소화제와 예비개질 베드 계면에서의 온도를 측정했다. 어셈블리를 통해 흐르는 연료 공급원료의 유속은 도 3에 기재한 바와 같이 첨가한 이산화탄소, 질소, 프로판 및 공기와 같은 희석제를 보유한 천연 가스 또는 동일한 가열 밸류를 제공하기 위한 소정 비율의 첨두 삭감 가스 15 표준 입방 피트/분(scfm)이다. 이 검사 동안에 사용된 연료 공급원료의 증기 대 탄소 비는 2.0이었다.
도 3의 표에 정리된 데이터가 보여주듯이, 어셈블리(108)에서 떠나는 전처리된 연료 공급원료는 산소가 모두 고갈되어 있다. 탈산소기 베드(204)를 따라 나타나는 온도 상승은 탄화수소 연료 공급원료와 산소의 반응의 지표이다. 따라서, 이 검사는 탈산소화제 베드(204)가 광범위한 온도 범위와 유입 연료 공급원료 중의 혼입 산소 농도의 다양한 변동에서도 연료 공급원료로부터 산소를 제거할 수 있음을 보여준다.
이러한 구성을 가진 전처리 어셈블리(108)는 종래 어셈블리의 평균 작동 수명이 3년인 것에 비해 약 5년인 것으로 추정된다. 전처리 어셈블리(108)의 수명은 부분적으로 탈산소화제 및 최적화된 수소 역확산으로부터 수소를 제공하여 환원 대기 하에 예비개질 베드(206)를 유지시키기 때문에 증가한 것으로서, 결과적으로 예비개질 촉매의 전체 수명을 증가시킨다.
본 발명의 또 다른 관점에 따라, 연료 공급원료가 프로판 및/또는 프로필렌 을 함유할 때 전처리 어셈블리(108)의 성능 및 작동 수명을 더욱 개선시키기 위하여, 어셈블리(108)는 도 4에 도시한 바와 같이 추가 개조했다. 구체적으로, 도 4는 연료 공급원료 중의 프로판 및 프로필렌을 메탄 및 탄소 산화물로 변환시키기 위해 개조된 프로판 처리 베드(301)를 포함시킨 도 2의 전처리 어셈블리(108)의 제2 변형 양태이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 프로판 처리 베드(301)는 용기(202)의 탈산소화제 베드(204)와 예비개질 베드(206) 사이에 배치된다. 구체적으로, 베드(301)는 스크린(212) 아래에 위치하며, 베드(301)를 베드(206)으로부터 분리시키는 추가 유사 스크린(302) 위에 존재한다. 이제 연료 공급원료는 산소 감소가 일어나는 탈산소화제 베드(204)를 통해 흐른 다음, 프로판과 프로필렌이 메탄 및 탄소 산화물로 변환을 통해 제거되는 베드(301)를 통해 흐른 뒤, 예비개질이 고급 탄화수소 함유물을 감소시키고 저급 탄화수소 함유물의 일부를 수소로 변환시키는 베드(206)를 통해 흐른다.
도 4의 양태에 따르면, 베드(204) 및 (206)는 도 2의 제1 양태에 대해 전술한 바와 같은 동일한 촉매를 함유한다. 그 다음, 프로판 처리 베드(301)는 산화세륨, 산화란타늄, 팔라듐, 백금 또는 이 화합물들의 혼합물과 같은 촉진제가 혼입된 니켈계 탄소 내성 촉매를 함유한다. 적당한 니켈계 탄소 내성 촉매의 예는 FCR-HC59(Sud Chemie 제품)다. 프로판 처리 베드(305) 중의 탄소 내성 촉매는 프로판 및 프로필렌에 대해 선택적이고 다음과 같은 연료 공급원료에 존재하는 프로판과 프로필렌의 메탄과 탄소 산화물로의 변환을 촉진한다:
C3H6 + 2H2O → CO2 + 2CH4 + H2
C3H8 + 2H2O → CO2 + 2CH4 + 2H2
도 4의 전처리 어셈블리(108)는 5% 이하의 프로필렌을 함유하는 상업 등급의 프로판 연료 또는 HD-5 가스를 처리할 수 있다. 이 전처리 어셈블리의 성능은 연료 공급원료 유입 온도, 베드(204), (301), (206)에서 연료 공급원료의 공간 속도 및 연료 공급원료의 증기 대 탄소("S/C") 비에 따라 달라질 것이다.
도 2의 양태에서와 같이, 도 4의 예비개질 어셈블리(108)의 최적 디자인은 도 2의 양태에서 논의된 요인 및 추가 요인으로서 프로필렌 농도에 따라 달라질 것이다. 도 4의 전처리 어셈블리(108) 형태의 예시적 예는 이하 실시예 3에 설명된다.
실시예 3
도 4의 전처리 어셈블리는 300kW 직접 연료 전지 전력 설비에 사용하기 위한 프로판과 5% 이하의 프로필렌을 함유하는 연료의 처리를 위해 최적화되었다. 탈산소화제 베드(204)는 G-74D 촉매를 함유하고, 부피가 0.7ft3 이다. 프로판 처리 베드(301)는 FCR-HC59 탄소방지 촉매(Sud Chemie 제품)를 함유하고 부피가 0.75ft3이며, 예비개질 베드(206)는 C11-PR 촉매를 함유하고 부피가 1.7ft3이다. 용기(202)는 304/310 스테인레스 강철로 만든 것이고 부피가 4ft3이다.
유입구(208)를 통해 용기(202)로 유입되는 연료 공급원료의 최적 온도는 약 350℃이고, 배출구(210)를 통해 용기(202)에서 배출되는 전처리된 연료의 온도는 약 350℃이다. 탈산소화제 베드(204)는 300℃ 내지 600℃ 사이의 온도에서 작동하는 반면, 프로판 처리 베드(301)와 예비개질 베드(206)는 300℃ 내지 540℃ 사이의 온도에서 작동하도록 개조했다. 어셈블리(108)의 베드(204), (301) 및 (206)의 최적 작동 온도 범위는 300℃ 내지 400℃ 사이이다. 탈산소화제 베드(204)를 통해 흐르는 연료 공급원료의 바람직한 공간 속도는 5,000 내지 12,000h-1 사이이다. 프로판 처리 베드(301)를 통해 흐르는 연료 공급원료의 바람직한 공간 속도는 5,000 내지 11,000h-1 사이인 반면, 전처리 베드(206)를 통해 흐르는 연료 공급원료의 바람직한 공간 속도는 2,000 내지 5,000h-1 사이이다. 더욱이, 어셈블리로 유입되는 연료 공급원료의 증기 대 탄소 비는 약 3인 것이 바람직하다.
도 4의 전처리 어셈블리(108)의 성능은 다양한 프로필렌 농도를 보유한 프로판 연료 공급원료를 사용하여 검사했다. 이 검사에 사용된 연료 공급원료는 프로필렌이 없는 순수 프로판, 프로필렌 2538ppm을 보유한 HD-5 가스, 약 5%의 프로필렌을 보유한 HD-5+ 가스를 포함한다. 검사는 어셈블리(108)로 유입되는 연료 공급원료의 유입 온도, 공간 속도 및 증기 대 탄소비를 변동시키면서 수행했다.
도 5는 도 4의 어셈블리(108)를 다양한 연료 공급원료 유입 온도에서 검사한 결과 수득한 성능 데이터를 그래프로 도시한 것이다. 이 검사 절차에서, 연료 공급원료는 어셈블리(108)로 유입되기 전에 다양한 온도로 예열했고, 어셈블리에서 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스에 존재하는 다양한 성분의 농도를 측정했다. 이 검사 동안에 사용된 연료 공급원료의 증기 대 탄소비는 3.0이었다. 어셈블리를 통해 흐르는 순수 프로판 연료 공급원료의 유속은 5.0표준 입방 피트/분("scfm")이었고, HD-5 연료 공급원료 가스 및 HD-5+ 연료 공급원료 가스의 유속은 4.5scfm이었으며, 어셈블리(108)로 유입되는 연료 공급원료 가스의 유입 온도는 300 내지 450℃ 범위였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 어셈블리(108)를 떠나는 전처리된 연료 공급원료는 메탄, 수소 및 이산화탄소 함유물을 포함했다. 도 5의 X축은 전처리 어셈블리 유입 온도를 나타내고, Y축은 전처리된 연료 공급원료 가스에서 배출되는 각 성분의 배출 농도를 나타낸다.
도 5에서 확인할 수 있듯이, 순수 프로판 유입 공급원료에서 생성된 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스에 존재하는 메탄, 수소 및 이산화탄소의 각 농도는, HD-5 및 HD-5+ 유입 공급원료에서 생성되는 배출 연료 공급원료 가스에 존재하는 메탄, 수소 및 이산화탄소의 각 농도와 대략 동일했다. 따라서, 이 검사는 어셈블리(108)가 성능 쇠퇴 없이 높은 프로필렌 농도를 보유한 연료 공급원료를 전처리할 수 있음을 보여주었다.
또한, 확인할 수 있듯이, 공급원료의 유입 온도가 증가할수록 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스에 존재하는 수소의 농도도 증가했고, 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스 중의 메탄의 농도는 감소했다. 더욱이, 도시된 바와 같이 모든 유입 온도에서, 어셈블리에서 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스는 예비개질 촉매를 환원 대기로 유지시키기에 충분한 수소 농도를 함유했고, 이로써 어셈블 리(108)의 작동 수명을 연장시켰다.
도 6은 공급원료의 다양한 유입 온도에 따라, 도 4의 어셈블리(108)에서 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스에 존재하는 잔류 프로판 농도를 그래프로 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, X축은 전처리 어셈블리(108)로 유입되는 공급원료의 유입 온도를 나타내고, Y축은 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스에 존재하는 프로판의 농도 백분율을 나타낸다. 이 도면으로부터, 어셈블리의 성능은 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스에 존재하는 잔류 프로판 농도에 역비례한다는 것을 알 수 있었다.
도 6은 모든 경우에, 심지어 약 300℃의 낮은 유입 온도에서도, 배출되는 전처리된 연료에 존재하는 프로판의 농도는 허용될 정도로 낮았다. 더욱이, 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스에 존재하는 프로판 농도는, 연료 공급원료의 유입 온도가 프로판을 검출할 수 없는 425℃ 이상의 유입 온도 지점까지 증가할 때, 감소했다.
다른 연료 공급원료 유입 온도에서 수행된 상기 검사를 기초로 할 때, 어셈블리(108)의 성능은 다양한 온도 범위에서 우수하여, 수소와 메탄의 원하는 배출 농도에 따라 유입 온도를 변동시킬 수 있다는 것을 관찰할 수 있었다. 도 4의 전처리 어셈블리의 최적 작동 범위는 300 내지 450℃ 사이였다.
도 4의 전처리 어셈블리(108)의 성능에 미치는 연료 공급원료 공간 속도의 효과는 또한 HD-5 및 HD-5+ 유입 연료 공급원료 가스를 이용하여 검사했다. 이 검 사 동안에, 연료 공급원료는 어셈블리(108)를 통해 1900h-1, 2660h-1, 3420h-1 및 9082h-1의 가스 공간속도로 통과시켰다. 연료 공급원료의 유입 온도는 375℃로 일정하게 유지시켰다. 어셈블리(108)에서 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스에 존재하는 메탄, 수소 및 이산화탄소의 농도%를 기록했다.
도 7 및 도 8은 일정한 유입 온도 375℃에서, HD-5 및 HD-5+ 연료 공급원료가 각각 어셈블리(108)를 통해 다른 공급원료 공간 속도로 흐를 때, 수득되는 배출 가스 농도를 막대 그래프로 도시한 것이다. 도 7 및 도 8의 Y축은 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스에 존재하는 각 성분의 농도%를 나타낸다. 관찰되듯이, 어셈블리(108)는 연료 공급원료를 1900h-1 내지 9082h-1 범위의 공간 속도로 통과시킬 때 그 공급원료를 효과적으로 전처리할 수 있고, 이 공간 속도 범위에서 초과 성능을 보여주었다. 또한, 본 검사는 어셈블리(108)의 성능이 공간 속도가 1900h-1 내지 9044h-1 범위일 때에는 HD-5+ 연료 공급원료에 존재하는 프로필렌 농도 증가에 의해 크게 영향을 받지 않는다는 것을 보여준다.
또한, 도 4의 어셈블리(108)의 성능은 프로필렌이 첨가된 HD-5 프로판과 천연 가스의 높은 공간 속도 하에 다른 유입 온도에서도 검사했다. 도 9는 이러한 검사 중에 구체적인 조건, 예컨대 연료 공급원료 조성 및 유입 온도, 및 도 4의 어셈블리(108)에서 배출되는, 전처리된 천연 가스 및 프로필렌 가스 첨가된 HD-5 프로판의 배출 조성물을 정리한 표이다. 구체적으로, 천연 가스의 유입 공급원료 조성 물은 에탄 2.23%, 프로판 0.36% 및 부탄 0.16%를 함유한 반면, 프로필렌이 첨가된 HD-5 프로판의 유입 공급원료 조성물은 에탄 7.2%, 프로판 88%, 프로필렌 4.02% 및 부탄 0.6%를 함유한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 고급 탄화수소는 모두 전처리 어셈블리(108)에 의해 제거되었다. 이 검사들이 보여주듯이, 도 4의 어셈블리(108)는 탈산소화제(204)에서의 공간 속도 12,000h-1 범위, 프로판 처리제(301)에서의 공간 속도 11,000h-1 및 예비개질제(206)에서의 공간 속도 5,000h-1 범위에서 우수한 성능을 나타낸다.
더욱이, 도 4의 어셈블리(108)의 성능을 다른 증기 대 탄소비 하에서 검사했다. 도 10은 다른 증기 대 탄소비에서 HD-5+ 연료 공급원료 유래의 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스에 존재하는 성분 농도를 막대 그래프로 도시한 것이다. 검사는 일정한 연료 공급원료 유입 온도 375℃에서 수행했다. 도 10에서, Y축은 배출 가스 성분의 농도%를 나타낸다. 성능 검사는 증기 대 탄소비가 2.9, 3.0, 3.2 및 3.4인 HD-5+ 연료 공급원료와 증기의 혼합물을 어셈블리(108)를 통해 통과시켜 수행했다. 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스에 존재하는 메탄, 수소 및 이산화탄소의 농도는 어셈블리(108)의 배출구에서 측정했다. 확인되는 바와 같이, 증기 대 탄소비가 3.0에서 3.4로 증가하면 어셈블리에 의한 수소 생산이 증가되었다.
또한, 어셈블리(108)의 성능은 다른 수소 농도를 첨가한 프로판 연료 공급원료를 가지고도 검사했다. 이 검사 동안에 사용된 연료 공급원료는 프로판 5scfm 및 증기 39scfm(증기 대 탄소비 2.6)를 함유했고, 유입 온도는 310℃였다. 어셈블 리(108)의 유입구의 연료 공급원료에는 다른 양의 수소를 첨가했다. 도 11은 연료 공급원료에 첨가된 수소가, 배출되는 전처리된 연료 공급원료 가스에 존재하는 메탄, 프로판, 수소 및 이산화탄소의 농도에 미치는 효과를 그래프로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 어셈블리(108)의 유입구에서 첨가되는 수소의 양이 증가할수록 프로판의 농도는 증가했다. 이 검사는 어셈블리(108)가 추가 수소 공급 없이 작동할 수 있고, 수소의 첨가가 프로판의 변환을 감소시켜 어셈블리의 성능을 저하시킨다는 것을 보여주었다.
모든 경우마다 전술한 배열이 본 발명의 이용분야를 나타내는 구체예를 가능한 많이 예시한 것뿐인 것으로 이해되어야 한다. 다수의 변화된 다른 배열은 본 발명의 영역 및 취지를 벗어남이 없이 본 발명의 원리에 따라 쉽게 창안될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 다양한 촉매 베드 구조물의 변형은 예비개질 베드를 통과할 때 연료 공급원료 가스의 공탑 속도 및 공간 속도를 최적화하도록 이루어질 수 있다. 더욱이, 다른 탈산소화 및 예비개질 촉매도 앞에서 논의한 것 대신에 베드(202) 및 (204)에 사용될 수 있다.

Claims (68)

  1. 산소와 고급 및 저급 탄화수소 함유물을 보유한 탄화수소를 포함하는, 연료 전지용 연료 공급원료를 처리하기 위한 전처리 어셈블리로서,
    상기 연료 공급원료 중의 산소를 감소시키기 위한 탈산소화 유닛; 및
    상기 연료 공급원료 중의 고급 탄화수소 함유물을 감소시키기 위한 예비개질 유닛;
    및 공통 용기를 함유하고;
    상기 탈산소화 유닛 및 상기 예비개질 유닛은 상기 연료 공급원료가 먼저 상기 탈산소화 유닛을 통해 통과하고 그 다음 상기 예비개질 유닛을 통해 통과하도록 상기 공통 용기 내에 배치되어 있는, 전처리 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 탈산소화 유닛은 탈산소화 베드를 함유하고, 예비개질 유닛은 예비개질 베드를 함유하며, 이러한 예비개질 베드는 연료 공급원료의 흐름 경로를 따라 상기 탈산소화 베드 다음에 위치하는 것인, 전처리 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서, 탈산소화 베드는 탈산소화 촉매를 함유하고, 예비개질 베드는 예비개질 촉매를 함유하는 것인, 전처리 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서, 탈산소화 촉매는 알루미나 위의 Pt-Pd 촉매, Pt-Rh계 촉매 및 Rh-Pd계 알루미나 촉매 중 하나인 것인, 전처리 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서, 탈산소화 촉매는 G-74D인 것인, 전처리 어셈블리.
  6. 제4항에 있어서, 예비개질 촉매는 니켈계 촉매인 것인, 전처리 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서, 예비개질 촉매는 C11-PR, CRG-F, CRG-LH 및 G-180 중 하나인 것인, 전처리 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서, 탈산소화 촉매 및 예비개질 촉매는 펠릿형 촉매인 것인, 전처리 어셈블리.
  9. 제7항에 있어서, 탈산소화 촉매 및 예비개질 촉매가 각각 촉매 코팅된 세라믹 모노리스를 함유하는 것인, 전처리 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서, 산소를 감소시키는 탈산소화 베드가 수소를 생산하고, 예비개질 베드는 저급 탄화수소 함유물을 수소로 변환시켜 상기 예비개질 베드 중에 환원 환경을 유지시키는 것인, 전처리 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서, 예비개질 베드에서의 연료 공급원료의 공간 속도는 상기 예비개질 베드에서 수소 역확산이 발생되어 유지될 정도의 공간 속도인 것인, 전처리 어셈블리.
  12. 제11항에 있어서, 예비개질 베드에서의 연료 공급원료의 공간 속도는 2,000 내지 5,000h-1 사이인 것인, 전처리 어셈블리.
  13. 제12항에 있어서, 탈산소화제 베드에서의 연료 공급원료의 공간 속도는 5,000 내지 12,000h-1 사이인 것인, 전처리 어셈블리.
  14. 제13항에 있어서, 탈산소화제 베드는 부피가 0.7ft3이고; 예비개질 베드는 부피가 2.5ft3인 것인, 전처리 어셈블리.
  15. 제14항에 있어서, 어셈블리로 유입 시의 연료 공급원료의 온도는 약 375℃인 것인, 전처리 어셈블리.
  16. 제15항에 있어서, 탈산소화제 베드는 300℃ 내지 600℃ 사이의 온도에서 작동하고, 예비개질 베드는 320℃ 내지 540℃ 사이의 온도에서 작동하는 것인, 전처리 어셈블리.
  17. 제16항에 있어서, 연료 공급원료의 증기 대 탄소 비는 2.9 내지 3.4 사이인 것인, 전처리 어셈블리.
  18. 제17항에 있어서, 예비개질 베드에서 연료 공급원료의 공탑속도(superficial velocity)가 STP 조건에서 1.3ft/s인 것인, 전처리 어셈블리.
  19. 제1항에 있어서, 예비개질 유닛이 연료 공급원료로부터 함황 화합물을 제거하도록 추가 개조된 것인, 전처리 어셈블리.
  20. 산소와 고급 및 저급 탄화수소 함유물을 보유한 탄화수소를 포함하는, 연료 전지용 연료 공급원료를 처리하기 위한 전처리 어셈블리로서,
    상기 연료 공급원료 중의 산소를 감소시키기 위한 탈산소화 유닛; 및
    상기 연료 공급원료 중의 프로필렌을 감소시키기 위한 프로판 처리 유닛; 및
    상기 연료 공급원료 중의 고급 탄화수소 함유물을 감소시키기 위한 예비개질 유닛을 함유하는, 전처리 어셈블리.
  21. 제20항에 있어서, 프로판 처리 유닛은 니켈계 탄소 내성 촉매를 함유하는 것인, 전처리 어셈블리.
  22. 제21항에 있어서, 탈산소화 유닛, 프로판 처리 유닛 및 예비개질 유닛은 공통 용기 내에 배치되어 있는 것인, 전처리 어셈블리.
  23. 제22항에 있어서, 탈산소화 유닛은 탈산소화 베드를 함유하고, 예비개질 유닛은 예비개질 베드를 함유하며, 프로판 처리 유닛은 프로판 처리 베드를 함유하는 것인 전처리 어셈블리.
  24. 제23항에 있어서, 탈산소화 베드, 프로판 처리 베드 및 예비개질 베드는 연료 공급원료가 먼저 탈산소화 베드를 통해 통과한 다음, 프로판 처리 베드와 예비개질 베드 중 하나를 통해 통과하고, 그 다음 상기 프로판 처리 베드와 상기 예비개질 베드 중 나머지 하나를 통해 통과하도록 공통 용기 내에 배치되어 있는 것인, 전처리 어셈블리.
  25. 제24항에 있어서, 탈산소화 베드, 프로판 처리 베드 및 예비개질 베드는 연료 공급원료가 먼저 탈산소화 베드를 통해 통과한 다음, 프로판 처리 베드를 통해 통과하고, 그 다음 예비개질 베드를 통해 통과하도록 공통 용기 내에 배치되어 있는 것인, 전처리 어셈블리.
  26. 제24항에 있어서, 탈산소화 베드는 탈산소화 촉매를 함유하고, 예비개질 베 드는 예비개질 촉매를 함유하는, 전처리 어셈블리.
  27. 제26항에 있어서, 탈산소화 베드는 알루미나 상의 Pt-Pd 촉매, Pt-Rh계 촉매 및 Rh-Pd계 알루미나 촉매 중 하나인, 전처리 어셈블리.
  28. 제27항에 있어서, 탈산소화 촉매가 G-74D인, 전처리 어셈블리.
  29. 제27항에 있어서, 예비개질 촉매가 니켈계 촉매인, 전처리 어셈블리.
  30. 제29항에 있어서, 예비개질 촉매가 C11-PR, CRG-F, CRG-LH 및 G-180 중 하나인, 전처리 어셈블리.
  31. 제30항에 있어서, 탄소 내성 촉매가 FCR-HC59인, 전처리 어셈블리.
  32. 제31항에 있어서,
    탈산소화 베드는 부피가 0.7ft3이고;
    프로판 처리 베드는 부피가 0.75ft3이며;
    예비개질 베드는 부피가 1.7ft3인 것인, 전처리 어셈블리.
  33. 제32항에 있어서,
    탈산소화 베드에서 연료 공급원료의 공간 속도는 5,000 내지 10,000h-1 사이이고;
    프로판 처리 베드에서 연료 공급원료의 공간 속도는 1900 내지 10,000h-1 사이이며;
    예비개질 처리 베드에서 연료 공급원료의 공간 속도는 2,000 내지 5,000h-1 사이인 전처리 어셈블리.
  34. 제33항에 있어서, 연료 유입 온도는 300 내지 450℃ 사이인 것인, 전처리 어셈블리.
  35. 제34항에 있어서, 탈산소화 베드는 300℃ 내지 600℃ 사이의 온도에서 작동하도록 개조되고, 프로판 처리 베드는 300℃ 내지 540℃ 사이의 온도에서 작동하도록 개조되며, 예비개질 베드는 300℃ 내지 540℃ 사이의 온도에서 작동하도록 개조된 것인, 전처리 어셈블리.
  36. 제35항에 있어서, 연료 공급원료 중의 증기 대 탄소 비가 2.9 내지 3.4 사이인, 전처리 어셈블리.
  37. 제20항에 있어서, 예비개질 유닛이 연료 공급원료로부터 함황 화합물을 제거하도록 추가 개조된 것인, 전처리 어셈블리.
  38. 산소와 고급 및 저급 탄화수소 함유물을 보유한 탄화수소를 함유하는 연료 전지용 연료 공급원료를 처리하는 연료 처리 방법으로서,
    상기 연료 공급원료를 제공하는 단계;
    탈산소화 유닛을 이용하여 상기 연료 공급원료 중의 산소를 감소시키는 단계;
    예비개질 유닛을 이용하여 상기 연료 공급원료 중의 고급 탄화수소 함유물을 감소시키는 단계를 포함하고,
    상기 탈산소화 유닛과 예비개질 유닛은 상기 연료 공급원료가 먼저 상기 탈산소화 유닛을 통해 흐른 다음, 상기 예비개질 유닛을 통해 흐르도록 공통 용기 내에 배치되어 있는 것인, 연료 처리 방법.
  39. 제38항에 있어서, 탈산소화 유닛은 탈산소화 베드를 함유하고, 예비개질 유닛은 예비개질 베드를 함유하며, 예비개질 베드는 연료 공급원료의 흐름 경로를 따라서 탈산소화 베드 다음에 위치하는 것인, 연료 처리 방법.
  40. 제39항에 있어서, 탈산소화 베드는 탈산소화 촉매를 함유하고, 예비개질 베 드는 예비개질 촉매를 함유하는, 연료 처리 방법.
  41. 제40항에 있어서, 탈산소화 촉매는 알루미나 상의 Pt-Pd 촉매, Pt-Rh계 촉매 및 Rh-Pd계 알루미나 촉매 중 하나이고, 예비개질 촉매는 니켈계 촉매인 연료 처리 방법.
  42. 제41항에 있어서, 탈산소화 촉매는 G-74D인 것인 연료 처리 방법.
  43. 제41항에 있어서, 예비개질 촉매가 C11-PR, CRG-F, CRG-LH 및 G-180 중 하나인, 연료 처리 방법.
  44. 제39항에 있어서, 추가로 프로판 처리 유닛을 이용하여 연료 공급원료 중의 프로필렌을 감소시키는 단계를 포함하는, 연료 처리 방법.
  45. 제34항에 있어서, 프로판 처리 유닛이 공통 용기 내에 배치되어 있고 프로판 처리 베드를 함유하는 것인, 연료 처리 방법.
  46. 제45항에 있어서, 탈산소화 베드, 예비개질 베드 및 프로판 처리 베드는 연료 공급원료가 먼저 탈산소화 베드를 통해 흐른 다음, 상기 프로판 처리 베드 및 상기 예비개질 베드 중 하나를 통해 흐른 후, 상기 프로판 처리 베드 및 상기 예비 개질 베드 중 나머지 하나를 통해 흐르도록 공통 용기 내에 배치되어 있는 것인, 연료 처리 방법.
  47. 제46항에 있어서, 프로판 처리 베드가 니켈계 탄소 내성 촉매를 함유하는, 연료 처리 방법.
  48. 제43항에 있어서, 탄소 내성 촉매가 FCR-HC59인, 연료 처리 방법.
  49. 제38항에 있어서, 탈산소화 베드에서 산소의 감소가 수소를 생산하고, 저급 탄화수소 함유물이 예비개질 베드에서 변환되어 수소를 생산하는, 연료 처리 방법.
  50. 제49항에 있어서, 예비개질 베드에서 연료 공급원료의 공간 속도가 그 예비개질 베드에서 수소 역확산이 발생되어 유지되게 할 정도의 공간 속도인 것인, 연료 처리 방법.
  51. 제38항에 있어서, 추가로 예비개질 유닛에서 연료 공급원료로부터 함황 화합물을 제거하는 단계를 포함하는 것인, 연료 처리 방법.
  52. 산소와 고급 및 저급 탄화수소 함유물을 보유한 탄화수소를 함유하는 연료 공급원료가 사용되는 연료 전지 시스템으로서,
    상기 연료 공급원료 중의 산소를 감소시키기 위한 탈산소화 유닛; 상기 연료 공급원료 중의 고급 탄화수소 함유물을 감소시키기 위한 예비개질 유닛; 및 공통 용기를 포함하고, 상기 탈산소화 유닛과 상기 예비개질 유닛은 상기 연료 공급원료가 먼저 상기 탈산소화 유닛을 통해 흐른 뒤, 그 다음 상기 예비개질 유닛을 통해 흐르도록 공통 용기 내에 배치되어 있는 것인, 상기 연료 공급원료 처리용 전처리 어셈블리; 및
    상기 전처리 어셈블리를 통해 통과한 연료 공급원료를 받는 연료 전지를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  53. 제52항에 있어서, 전처리 어셈블리가 추가로 연료 중의 프로판과 프로필렌을 처리하는 프로판 처리 유닛을 포함하고, 이러한 프로판 처리 유닛이 공통 반응 용기 내에 배치되어 있는 것인, 연료 전지 시스템.
  54. 제53항에 있어서, 탈산소화 유닛이 탈산소화 베드를 함유하고, 예비개질 유닛이 예비개질 베드를 함유하며, 프로판 처리 유닛이 프로판 처리 베드를 함유하는, 연료 전지 시스템.
  55. 제54항에 있어서, 탈산소화 베드, 프로판 처리 베드 및 예비개질 베드는 연료 공급원료가 먼저 상기 탈산소화 베드를 통해 흐른 뒤, 상기 프로판 처리 베드와 상기 예비개질 베드 중 하나를 통해 흐르고, 그 다음 상기 프로판 처리 베드와 상 기 예비개질 베드 중 나머지 하나를 통해 흐르도록 공통 용기 내에 배치되어 있는 것인, 연료 전지 시스템.
  56. 제55항에 있어서, 연료 공급원료가 전처리 어셈블리에 의해 처리되기 전에 상기 연료 공급원료를 예열하기 위한 예열기를 추가로 포함하는, 연료 전지 시스템.
  57. 제56항에 있어서, 연료 공급원료가 전처리 어셈블리에 의해 처리되기 전에 상기 연료 공급원료 중의 황 함량을 감소시키기 위한 탈황제를 추가로 포함하는, 연료 전지 시스템.
  58. 제57항에 있어서, 탈황제가 예열기보다 앞에 있는 것인 연료 전지 시스템.
  59. 제56항에 있어서, 예열기가 연료 공급원료를 약 375℃까지 예열하는 것인, 연료 전지 시스템.
  60. 제54항에 있어서,
    탈산소화 베드가 알루미나 상의 Pt-Pd 촉매, Pt-Rh계 촉매 및 Rh-Pd계 알루미나 촉매 중 하나를 함유하고;
    예비개질 베드가 니켈계 촉매를 함유하며;
    프로판 처리 베드가 니켈계 탄소 내성 촉매를 함유하는, 연료 전지 시스템.
  61. 제60항에 있어서, 니켈계 탄소 내성 촉매가 산화세륨, 산화란타늄, 팔라듐 및 백금 중 적어도 하나를 함유하는 촉진제가 첨가된 것인, 연료 전지 시스템.
  62. 제61항에 있어서,
    탈산소화 베드가 G-74D 촉매를 함유하고;
    예비개질 베드가 C11-PR, CRG-F, CRG-LH 및 G-180 중 하나를 함유하며;
    프로판 처리 베드가 FCR-HC59 촉매를 함유하는 것인, 연료 전지 시스템.
  63. 제52항에 있어서, 산소를 감소시키는 탈산소화 유닛은 수소를 생산하고, 예비개질 유닛은 저급 탄화수소 함유물 중의 일부를 수소로 변환시켜 상기 예비개질 유닛 중에 환원 환경을 유지시키는 것인, 연료 전지 시스템.
  64. 제63항에 있어서, 예비개질 유닛에서 연료 공급원료의 공간 속도는 이 예비개질 유닛에서 수소 역확산이 발생되어 유지될 정도의 공간 속도인 것인, 연료 전지 시스템.
  65. 제52항에 있어서, 예비개질 유닛이 연료 공급원료로부터 함황 화합물을 제거하도록 추가 개조된 것인, 연료 전지 시스템.
  66. 제52항에 있어서, 연료 전지가 용융된 탄산염 연료 전지 및 고체 산화물 연료 전지 중 하나인 것인, 연료 전지 시스템.
  67. 제1항에 있어서, 연료 공급원료가 천연가스, 첨두삭감(peak shaving) 가스, 석탄층 메탄, 분해기 가스, 프로판, LPG 및 HD-5와 같은 다중 연료인 것인, 전처리 어셈블리.
  68. 제20항에 있어서, 어셈블리가 천연 가스, HD-5 및 LPG 탄화수소 연료 공급원료를 처리하여 고온 연료 전지용 메탄 풍부 가스를 생산하도록 개조된 것인, 전처리 어셈블리.
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