KR20070086973A - 연료 전지용 개질기 - Google Patents

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마르코 뮐너
안드리스 린더마이어
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베바스토 아게
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Abstract

본 발명은 반응 가스 혼합물의 유입을 위한 챔버 입구(20)와 개질된 가스의 유출을 위한 챔버 출구(24)를 갖는 챔버(26)를 포함하며, 촉매 활성 매체가 상기 챔버(26)에 배치되는 연료 전지용 개질기(10)에 관한 것이다. 본 발명에 따라 원통형 외부 파이프 벽(14)과 원통형 내부 획정 벽(16)을 갖는 히트 파이프(12)를 포함하고, 상기 챔버(26)는 상기 외부 파이프 벽(14)과 상기 내부 획정 벽(16) 사이에 배치되는 것인 개질기(10)가 제공된다.

Description

연료 전지용 개질기{REFORMER FOR A FUEL CELL}
본 발명은 반응 가스 혼합물의 유입을 위한 챔버 입구와 개질된 가스의 유출을 위한 챔버 출구를 가지는 챔버를 포함하며, 이 챔버 내에는 촉매 활성 매체가 배치되는 것인 연료 전지용 개질기에 대한 것이다.
일반적으로 개질기는 다양한 분야에 적용되는데, 특히 연료 전지에 수소-풍부 가스 혼합물을 제공하는데 이용되며, 전기화학적 반응에 기초하여 수소-풍부 가스 혼합물로부터 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 상기 연료 전지는 예를 들어, 자동차의 보조 동력 장치(APUs; auxiliary power units)로 이용될 수 있다.
개질기의 설계는 다수의 다양한 요인에 의해 좌우된다. 반응 시스템 특성에 대한 고려에 추가하여, 경제적인 구현, 예컨대 특히 개질기를 주변 환경에 통합시키는 것이 중요하며, 여기에는 반응기에서 에너지와 물질의 입구 및 출구 유동을 조절하는 방안이 포함된다. 따라서, 개질기의 환경과 용례에 따라 다양한 방식의 개질이 적용되며, 이에 따라 개질기 구조에 대한 다양화가 필요하다.
개질 공정의 하나의 예로 소위 접촉 개질기(catalytic reformer)가 있으며, 접촉 개질기에서 공기와 연료의 혼합물은 촉매 활성 매체를 이용한 발열 반응에서 수소-풍부 개질유로 변환되는데, 수소-풍부 개질유로 연료 전지가 작동될 수 있으 며, 이를 촉매 부분 산화(CPOX; catalytic partial oxidation)라 한다. 이러한 연료/공기 혼합물의 촉매 변환에서 반응은 유동 방향에서 두 개의 개별 구역으로 나뉠 수 있다. 촉매 활성 매체에 유입되면서 격렬한 발열 산화 반응이 먼저 일어나고, 그로 인해 생긴 중간 생성물이 촉매 활성 매체의 다음 구역에서 개질된다. 개질 공정은 온도가 뚜렷하게 하강하는 흡열 반응이고, 따라서 변환 손실(conversion loss)이 발생한다.
CPOX 개질기에서 개질기의 입구 구역에서 순 발생되는 열은 포함된 물질에 손상을 일으킬 수 있을 정도로 높은데, 예를 들어 촉매 활성 매체가 비활성화될 수 있고, 기질 물질이 파손될 수 있다. 산화 구역에서 방출된 반응열이 개질 구역으로 전달될 수 없기 때문에, 개질 공정의 제어가 문제가 되고 따라서 일반적으로 변환 정도가 더 낮다는 것을 특징으로 하는 반응의 폴리트로픽 조절을 피할 수 없다.
반응 가스 혼합물의 개질된 가스로의 변환을 양호하게 하기 위해, 본 발명에 따른 개질기는 원통형 외부 파이프 벽과 원통형 내부 획정 벽을 가지는 히트 파이프를 포함하며, 외부 파이프 벽과 내부 획정 벽 사이에는 챔버가 배치된다.
본 발명의 요지는 촉매 활성 매체에서 히트 파이프를 이용하여 신속하게 열을 전달하는 것을 포함하여 촉매 활성 매체 내 온도의 반지름 방향 및 축 방향 등온 분포 모두를 달성하는 것이다.
바람직한 일 실시예에서 챔버 입구는 히트 파이프의 제1 축방향 단부 근처에 배치되고, 챔버 출구는 히트 파이프의 제2 축방향 단부 근처에 배치되어, 히트 파이프의 축방향 범위에 걸쳐 최대한 온도가 보상될 수 있도록 한다.
챔버 입구와 챔버 출구 사이에서 챔버를 나선형으로 구성하여, 작은 유동 횡단면으로 인해 반지름 방향의 온도 구배가 최소화되는 것이 특히 바람직하다.
본 발명의 추가적인 실시예는 종속항에 나타난다.
본 발명은 도면을 참조하여 예시적인 실시예에 의해 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 개질기의 횡단면도이다.
도 2는 폴리트로픽 방식(점선)과 등온 방식(실선)에서의 개질기의 축방향 온도 프로파일을 도시하는 그래프이다.
도 3은 개질기를 포함하는 연료 전지 시스템의 개략도이다.
<도면 부호의 설명>
10 개질기
12 히트 파이프
14 외부 파이프 벽
16 내부 획정 벽
18 히트 파이프의 제1 축방향 단부
20 챔버 입구
22 히트 파이프의 제2 축방향 단부
24 챔버 출구
26 챔버
28 통로
30 촉매 활성 매체
32 내부 챔버
34 열 교환기
36 파이프
38 연료 전지 시스템
39 연료 공급 라인
40 매체 전달 장치
42 증발기
44 혼합물 형성 장치
46 공기 공급 라인
48 연료 전지 스택
50 재연소 장치
52 캐소드 공기 공급 라인
도 1을 참조하면, 이하에서 설명되는 바와 같이 연료 전지 시스템용 개질기(10)가 도시되어 있으며, 개질기(10)는 외부 파이프 벽(14)과 내부 획정 벽(16)을 가지는 히트 파이프(12)를 포함하며, 외부 파이프 벽(14)과 내부 획정 벽(16)은 모두 원통형이다. 히트 파이프(12)의 제1 축방향 단부(18)에서 챔버 입구(20)가 제공되며, 챔버 입구(20)를 통해 예를 들어 공기와 증발 연료로 이루어진 반응 가 스 혼합물이 개질기에 유입될 수 있다. 히트 파이프(12)의 제2 축방향 단부(22)에 챔버 출구(24)가 배치되어 있고, 챔버 출구(24)를 통해 개질된 가스가 개질기(10)에서 배출될 수 있다. 외부 파이프 벽(14)와 내부 획정 벽(16)은 챔버 입구(20)와 챔버 출구(24) 사이에서 연장되는 챔버(26)를 형성한다. 도시된 실시예에서 챔버(26)는 챔버 입구(20)와 챔버 출구(24) 사이에서 나선형 구조로 형성된다. 이는 원통형 내부 획정 벽(16) 내에 가공된 통로(28)에 의해 달성된다. 히트 파이프(12)의 반지름 방향에서 통로(28)의 치수(A)는 히트 파이프(12)의 반경(R)보다 작다. 촉매 활성 매체(30)가 나선형 통로(28)에 배치되고, 도시된 실시예에서 촉매 활성 매체(30)는 펠릿(pellet)형이다. 내부 획정 벽(16) 내에 가공된 통로(28)는 열 전달 장치로 이용되는 내부 획정 벽(16)과 촉매 활성 매체(30) 사이에서 효과적인 열 전달 표면에 추가되는데, 이는 세 개의 접촉 표면이 모두 열 전달에 활용 가능하기 때문이다. 내부 획정 벽(16)은 액체 금속 충전재(filling)를 포함하는 내부 챔버(32)를 둘러싼다. 액체 금속 충전재는 1100℃의 온도에 특히 적합하고, 바람직하게 리튬 또는 나트륨이 이용된다. 액체 금속 충전재로 나트륨을 이용하는 경우 내부 획정 벽(16)이 스테인리스 스틸로 만들어질 수 있다는 이점이 있다.
히트 파이프(12)의 제2 축방향 단부(22) 부위에서 열 교환기(34)가 배치되며, 열 교환기를 이용하여 열 에너지가 히트 파이프(12)로부터 연료 전지의 추가 시스템 요소로 전달될 수 있고, 특히 파이프(36)에서 유동하는 액체 또는 가스 매체로 전달되고 그 곳에서 추가 시스템 요소로 전달된다. 이하에서 이에 대해 상술 한다.
도 3을 참조하면, 연료 공급 라인(39)에 의해 개질기(10)가 연료 전지 시스템(38)에 어떻게 통합되는지 도시되어 있는데, 연료 공급 라인(39)은 매체 전달 장치(40)에 연결되고, 증발기(42)는 매체 전달 장치(40)에 연결된다. 연료 공급 라인(39)과 공기 공급 라인(46)은 혼합물 형성 장치(44)에 연결되는데, 혼합물 형성 장치(44)는 이어서 챔버 입구(20)에 연결된다. 개질기(10)의 챔버 출구(24)는 연료 전지 스택(48)과 연결되고, 연료 전지 스택(48)은 재연소 장치(50)에 연결된다. 개질기(10)의 챔버 출구(24)에 연결되는 것에 추가하여 연료 전지 스택(48)은 캐소드(cathode) 공기 공급 라인(52)과 연결된다.
연료 전지 시스템(38)의 개질기(10)의 기능뿐만 아니라 개질기(10)가 전체적으로 어떻게 시스템에 포함되어 있는지에 대하여 설명한다.
연료는 연료 공급 라인(39)을 통해 매체 전달 장치(40)를 거쳐 증발기(42)로 공급되는데, 증발기(42)에서 연료가 기화된다. 그 후 증발된 연료는 혼합물 형성 장치(44) 내로 유동하고, 공기는 공기 공급 라인(46)에 의해 혼합물 형성 장치(44) 내로 공급되어 증발된 연료와 혼합된다. 그 후 연료/공기 혼합물은 챔버 입구(20)를 통해 개질기(10) 내로 유입되고(도 1), 그 후 연료/공기 혼합물은 촉매 활성 매체(30)에 유도되는데, 촉매 활성 매체(30)는 연료/공기 혼합물을 중간 생성물로 개질한다. 산화 반응으로부터 시작되어 방출된 반응열은 히트 파이프(12)에 의해 내부 챔버(32)의 충전재로 전달된다. 그 후, 히트 파이프(12)의 제1 축방향 단부(18) 영역에서 방출된 반응열은 내부 챔버(32)의 충전재를 경유하여 히트 파이 프(12)의 제2 축방향 단부(22) 영역으로 전달된다. 이는 축방향으로 연장된 히트 파이프(12) 전체에 걸쳐 실질적으로 일정한 온도 프로파일을 얻는 과정에서(도 2 참조, 실선) 히트 파이프(12)의 제1 축방향 단부(18)에 핫 스폿(hot spot)이 생기는 것을 피하기 위함인데, 이러한 핫 스폿은 폴리트로픽 반응(도 2 참조, 점선)에서는 통상적으로 발생한다. 히트 파이프(12)의 제1 축방향 단부(18)에서 생긴 중간 생성물은 그 후 히트 파이프(12)의 제2 축방향 단부(22) 영역의 통로(28)에 전달되는데, 이 곳에서 중간 생성물의 개질이 일어난다. 내부 챔버(32) 내에서 히트 파이프(12)의 제1 축방향 단부(18)로부터 히트 파이프(12)의 제2 축방향 단부(22) 영역으로 열 에너지가 전달되는 것은 열역학적 평형에 이르는 데에 중대한 기여를 한다.
도 2를 참조하면, 종래 기술에서 폴리트로픽 반응으로 발생하는 핫 스폿이 챔버 입구(20) 영역에서 히트 파이프(12)의 제1 축방향 단부(18)에 생기지 않도록 하는 방법과(도 2 참조, 점선), 히트 파이프(12)를 이용하여 챔버 입구(20)와 챔버 출구(24) 사이에서 히트 파이프(12)의 전체 축방향 범위에 걸쳐 실질적으로 일정한 온도 프로파일을 얻는 방법이(도 2 실선 참조) 도시되어 있다. 촉매 활성 매체와 기질 물질의 수명을 단축시키지 않기 위해 초과되지 않아야 하는 최대 온도(Tmax)는 히트 파이프(12)의 어떤 부위에서도 초과되지 않고, 따라서 안전하게 핫 스폿을 배제한다.
챔버 출구(24)에서 방출되는 개질된 가스는 그 후 연료 전지 스택(48)으로 공급되는데(도 3 참조), 연료 전지 스택(48)에서 공지된 방법과 수단에 의해 전기 에너지가 방출된다. 연료 전지 스택(48)으로부터 가스가 유출되어 재연소 장치(50)로 향하는데, 이 가스는 재연소 장치(50)에서 추가적으로 이용된다.
챔버 입구(20)에서 반응 가스 혼합물의 유량의 함수로서 연료 전지 시스템(38)은 전체적으로 잉여 열 에너지를 가지기 때문에, 이는 연료 전지 시스템(38)의 추가 시스템 요소를 위하여 열 교환기(34)에 의해 이용될 수 있다. 이러한 시스템 요소는 연료 전지 스택(48)의 캐소드 공기 공급 라인(52)의 캐소드 공기 또는 혼합물 형성 장치(44)일 수 있다. 그 후 열 교환기(34)의 파이프(36)는 공기 공급 라인(46) 또는 캐소드 공기 공급 라인(52)에 상응하여 연결된다. 또한, 전기 에너지와 열을 공급하는 복합 시스템의 경우 열 교환기(34)로부터의 열 에너지는 가열 시스템에 직접 공급될 수 있다.
이미 언급한 히트 파이프(12)에서의 등온 온도 분포에 추가하여, 본 발명에 따른 개질기에서는 개질의 제어가 상당히 단순화되며, 아울러 개질된 가스의 수율이 상당히 증가하면서도 재료 유동에 관한 조절 용량이 향상된다. 또한, 통로(28)에서 다양한 촉매 활성 매체를 이용함으로써 반응 조절은 더욱 최적화된다. 적합한 배관과 밸브를 통해 두 개의 개질기(10)를 결합함으로써 두 개의 개질기를 교대로 이용하고 재생하는 것이 가능한데, 다시 말해 두 개의 개질기 중 하나가 재생되는 경우 다른 개질기가 연료 전지 시스템(38)을 작동시키기 위해 개질된 가스를 제공할 수 있으며, 제1 개질기가 재생되고 다른 개질기가 소모되고 난 후에는 전환되어, 제1 개질기가 연료 전지 시스템(38)을 위한 개질된 가스를 재생할 수 있도록 한다. 훨씬 높은 가스 처리량이 필요한 경우 다수의 개질기(10)가 병렬적으로 작동될 수 있고, 이는 또한 액체 및 가스 형태 모두에서 유용한 다양한 연료의 이용을 가능케 한다.

Claims (9)

  1. 반응 가스 혼합물의 유입을 위한 챔버 입구(20)와 개질된 가스의 유출을 위한 챔버 출구(24)를 갖는 챔버(26)를 포함하며, 촉매 활성 매체가 상기 챔버(26)에 배치되는 연료 전지용 개질기(10)로서,
    상기 개질기(10)는 원통형 외부 파이프 벽(14)과 원통형 내부 획정 벽(16)을 갖는 히트 파이프(12)를 포함하고, 상기 챔버(26)는 상기 외부 파이프 벽(14)과 상기 내부 획정 벽(16) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 챔버 입구(20)는 상기 히트 파이프(12)의 제1 축방향 단부(18) 근처에 배치되고, 상기 챔버 출구(24)는 상기 히트 파이프(12)의 제2 축방향 단부(22) 근처에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질기.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 챔버(26)는 상기 챔버 입구(20)와 상기 챔버 출구(24) 사이에서 나선형 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질기.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버(26)는 상기 원통형 내부 획정 벽(16) 내에 가공된 통로(28)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질기.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 획정 벽(16)은 내부 챔버(32)를 둘러싸고, 상기 내부 챔버(32)는 액체 금속 충전재(filling)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질기.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 액체 금속은 리튬 또는 나트륨인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질기.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 열 교환기(34)가 상기 히트 파이프(12)의 제2 축방향 단부(22) 근처에 배치되고, 상기 열 교환기(34)에 의하여 상기 히트 파이프(12)로부터 상기 연료 전지의 추가 시스템 요소(44)로 열 에너지가 전달되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질기.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 연료 전지는 혼합물 형성 장치(44)를 포함하고 상기 열 교환기(34)에 의하여 상기 히트 파이프(12)로부터 상기 혼합물 형성 장치(44)로 열 에너지가 전달되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질기.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 연료 전지에 캐소드 공기가 공급되고, 상기 열 교환기(34)에 의해 상기 히트 파이프(12)로부터 상기 캐소드 공기로 열 에너지가 전달되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질기.
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