KR20070118228A - 연료전지장치를 위한 연료처리기 및 연료전지장치를 위한연료처리기의 작동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료전지장치를 위한 연료처리기 및 연료전지장치를 위한 연료처리기의 작동방법에 관한 것으로서, 연료처리기(10)는, 탈황반응기(12)와, 촉매부분산화반응기(14)와, 연소기(16)와, 프리-리포머(18)와, 탄화수소연료를 상기 탈황반응기(12)에 공급하기 위한 수단(20)과, 공기를 상기 촉매부분산화반응기(14)에 공급하기 위한 수단(24) 및 공기를 상기 연소기(16)에 공급하기 위한 수단(24)을 포함한다. 탈황반응기(12)는 탈황된 탄화수소연료를 제1, 제2 및 제3의 작동모드로 상기 촉매부분산화반응기(14)에 공급하도록 구성되는데, 연소기(16)로는 제1작동모드에서, 상기 프리-리포머(18)로는 제3작동모드에서 공급하도록 구성된다. 연소기(16)는, 산소고갈공기와 증기를 제1작동모드에서 프리-리포머(18)에 공급하도록 구성된다. 촉매부분산화반응기(14)는, 수소를 위 세 가지 모든 작동모드에서 탈황반응기(12)에 공급하도록 구성된다. 촉매부분산화반응기(14)는, 위 세 가지 모든 작동모드에서 프리-리포머(18)에 공급하도록 구성되며, 프리-리포머(18)는 생성가스를 연료전지장치에 공급하도록 구성된다.
연료전지장치, 연료처리기, 탈황, 프리-리포머, 수소화분해, 합성가스

Description

연료전지장치를 위한 연료처리기 및 연료전지장치를 위한 연료처리기의 작동방법{A FUEL PROCESSOR FOR A FUEL CELL ARRANGEMENT AND A METHOD OF OPERATING A FUEL PROCESSOR FOR A FUEL CELL ARRANGEMENT}
본 발명은 연료전지장치(fuel cell arrangement)를 위한 연료처리기(fuel processor)와 연료전지장치를 위한 연료처리기의 작동방법에 관한 것이다.
유럽특허 제EP0673074B1으로부터, 프리-리포머(pre-reformer)를 포함하는 연료전지장치가 알려져 있는데, 이 장치는, 수소와 증기를 포함하는 어노드오프(anode off gas)를 연료전지로부터 프리-리포머에 공급하고, 탄화수소연료를 공급한다. 프리-리포머는, 탄화수소의 저온증기 리포밍에 적합한 촉매와, 탄화수소연료의 부분산화 리포밍을 위한 촉매를 포함한다. 프리-리포머는 또한, 탄화수소연료의 수소화탈황(hydrodesulphurisation)에 적합한 촉매를 포함한다.
위 장치에 대한 문제점은, 연료전지장치의 낮은 전기적 적하상태 또는 개방회로상태에서, 연료전지가 저온증기 리포밍을 하기 위한 증기를 생산하지 않는다는 것이다. 위 장치의 또 다른 문제점은, 탄화수소연료의 수소화탈황이 어노드오프 가스, 수소, 재순환의 율에 의존하며, 이는, 연료전지장치의 작동상태에 의존한다는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 극복하거나 상기 문제점을 적어도 감소시키기 위하여, 연료전지장치를 위한 새로운 연료처리기 및 연료전지장치를 위한 연료처리기의 새로운 작동방법을 제공하려는 것이다.
본 발명에 의하면, 제1작동모드에서 연료전지장치에 안전가스를 공급하기 위한 수단과, 제2작동모드에서 연료전지장치에 합성가스를 공급하기 위한 수단 및 제3작동모드에서 연료전지장치에 처리된 탄화수소연료를 공급하기 위한 수단을 포함하는, 연료전지장치를 위한 연료처리기를 제공한다.
바람직하게는, 연료처리기는, 탈황반응기(12)와, 촉매부분산화반응기(14)와, 연소기(16)와, 프리-리포머(18)와, 탄화수소연료를 상기 탈황반응기(12)에 공급하기 위한 수단(20)과, 상기 촉매부분산화반응기(14)에 공기를 공급하기 위한 수단(24) 및 상기 연소기(16)에 공기를 공급하기 위한 수단(24)을 포함하되, 상기 탈황반응기(12)는 상기 탈황된 탄화수소연료를 상기 촉매부분산화반응기(14), 상기 연소기(16) 및 상기 프리-리포머(18)에 공급하도록 배치되고, 상기 연소기(16)는 산소고갈공기와 증기를 상기 프리-리포머(18)에 공급하도록 배치되고, 상기 촉매부분산화반응기(14)는 수소를 상기 탈황반응기(12)에 공급하도록 배치되고, 수소를 상기 프리-리포머(18)에 공급하도록 배치되며, 상기 프리-리포머(18)는 상기 연료전지장치에 생성가스를 공급하도록 배치된다.
이에 대체한 연료처리기는, 탈황반응기(12)와, 촉매부분산화반응기(14)와, 연소기(16)와, 프리-리포머(18)와, 탄화수소연료를 상기 탈황반응기(12)에 공급하기 위한 수단(20)과, 탄화수소연료를 상기 촉매부분산화반응기(14)에 공급하기 위한 수단(20)과, 상기 촉매부분산화반응기(14)에 공기를 공급하기 위한 수단(24) 및 상기 연소기(16)에 공기를 공급하기 위한 수단(24)을 포함하되, 상기 탈황반응기 (12)는 상기 탈황된 탄화수소연료를 상기 연소기(16) 및 상기 프리-리포머(18)에 공급하도록 배치되고, 상기 연소기(16)는 산소고갈공기와 증기를 상기 프리-리포머 (18)에 공급하도록 배치되고, 상기 촉매부분산화반응기(14)는 수소를 상기 탈황반응기(12)에 공급하도록 배치되고, 수소를 상기 프리-리포머(18)에 공급하도록 배치되며, 상기 프리-리포머(18)는 생성가스를 상기 연료전지장치에 공급하도록 배치된다.
본 발명은 또한, (a) 제1작동모드에서 상기 연료전지장치에 안전가스(safe gas)를 공급하는 단계와,
(b) 제2작동모드에서 상기 연료전지장치에 합성가스(synthesis gas)를 공급하는 단계 및
(c) 제3작동모드에서 상기 연료전지장치에 처리된 탄화수소연료를 공급하는 단계를 포함하는, 연료전지장치를 위한 연료처리기의 작동방법을 제공한다.
상기 제1작동모드는, 상기 연료전지장치의 기동(start up) 및/또는 셧다운(shut down)상태이다.
상기 제2작동모드는, 상기 연료전지장치의 핫아이들(hot idle) 및/또는 부분적하(part load)상태이다.
상기 제3작동모드는, 상기 연료전지장치의 정상(normal)상태이다.
상기 제1작동모드는, 탄화수소연료를 탈황(desulphurising)시키는 단계와, 합성가스를 생성하기 위해 상기 탈황된 탄화수소연료 상에 촉매부분산화(catalytic partial oxidation)를 수행하는 단계와, 산소고갈가스(oxygen depleted gas)를 생성하기 위해 상기 탈황된 탄화수소연료를 태우는 단계 및 안전가스를 생성하기 위해 상기 합성가스와 상기 산소고갈가스를 혼합하는 단계를 포함한다.
상기 제2작동모드는, 탄화수소연료를 탈황시키는 단계와, 합성가스를 생성하기 위하여 상기 탈황된 탄화수소연료 상에 촉매부분산화를 수행하는 단계를 포함한 다.
상기 제3작동모드는, 탄화수소연료를 탈황시키는 단계와, 합성가스를 생성하기 위해 상기 탈황된 탄화수소연료 상에 촉매부분산화를 수행하는 단계와, 상기 합성가스와 상기 탈황된 탄화수소연료를 혼합하는 단계 및 상기 처리된 탄화수소연료를 생성하기 위해 상기 탈황된 탄화수소연료를 프리-리포밍(pre-reforming)하는 단계를 포함한다.
상기 탈황단계는, 상기 합성가스 내에 있는 수소와 상기 탄화수소연료 내에 있는 황성분을 반응시켜 황화수소를 형성하기 위해 상기 합성가스와 상기 탄화수소연료를 혼합하는 단계를 포함한다.
상기 탈황단계는, 황화수소를 흡수하는 단계를 포함한다.
상기 탈황된 탄화수소연료의 프리-리포밍단계는, 수소화분해(hydro genolysis)를 포함한다.
안전가스는, 낮은 부분압을 가진 수소와 일산화탄소를 포함한다. 안전가스는 약 5 부피%의 가연성 가스를 포함하며, 나머지는 비가연성 가스이다.
합성가스는, 높은 분압을 가진 수소와 일산화탄소를 포함한다. 합성가스는, 약 33 부피%의 수소와 17 부피%의 일산화탄소를 포함하고, 나머지는 비가연성 가스이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조한 실시예에 따라 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료처리기를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 대체적 연료처리기를 보여주는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지장치를 위한 연료처리기(10)는, 수소화탈황반응기(hydrodesulphurisation reactor,12)와, 촉매부분산화반응기(catalytic partial oxidation reactor,14)와, 연소기(16) 및 프리-리포머(pre-reformer,18)를 포함하고 있다. 파이프(22)를 통해 수소화탈황반응기(12)로 탄화수소연료를 공급하기 위한 수단(20)이 있고, 파이프(26)를 통해 촉매부분산화반응기(14)에 공기를 공급하는 수단(24)과, 파이프(28) 및 밸브(30)를 통해 연소기(16)에 공기를 공급하는 수단(24)이 있다. 수소화탈황반응기(12)는 파이프(32) 및 밸브(34)를 통해 프리-리포머(18)에 연결되어 있다. 수소화탈황반응기(12)는 파이프(32,36)를 통해 촉매부분산화반응기(14)에 연결되어 있다. 수소환탈황반응 기(12)는 또한, 파이프(32,38)와 밸브(40)를 통해 연소기(16)에 연결되어 있다. 연소기(16)는 파이프(42,32)를 통해 프리-리포머(18)에 연결되어 있다. 촉매부분산화반응기(14)는 파이프(44,32)를 통해 프리-리포머(18)에 연결되어 있다. 촉매부분산화반응기(14)는 파이프(46)와 재순환수단(54)를 통해 수소화탈황반응기(12)에 연결되어 있는데, 이 때, 재순환수단은, 이젝터(ejector), 팬(fan), 펌프 등을 포함할 수 있다. 프리-리포머(18)는 생성가스를 공급하기 위하여 파이프(48)를 통해 연료전지장치 또는 그 밖의 장치에 연결된다. 예컨데, 탄화수소연료를 공급하기 위한 수단(20)은 천연가스 공급부이다. 공기를 공급하기 위한 수단(24)은 공기압축기나 펌프 또는 연료전지장치의 압력용기 내에 있는 공기원일 수 있다.
또한, 필요한 경우 촉매부분산화반응기(14)를 차단(isolate)시키기 위해, 파이프(26) 내에 밸브(50)가 구비될 수 있으며, 파이프(36) 내에 밸브(52)가 구비될 수 있다.
연료처리기(10)는 여러가지 기능을 수행하도록 구성된다. 첫째, 연료처리기(10)는, 연료전지의 촉매와 성분들에 의해 황농도가 용인될 수 있도록 탄화수소연료로부터 황을 제거하도록 구성된다. 둘째, 연료처리기(10)는, 탄화수소를, 수소와 일산화탄소의 분압이 낮은, 소위 "안전가스(safe gas)"라고 알려져 있는 혼합가스로 변환시키도록 구성된다. "안전가스"는 약 5 부피%의 가연성 가스를 포함하고, 나머지는 비가연성 가스이다. 셋째, 연료처리기(10)는 탄화수소연료를, 수소와 일산화탄소의 분압이 높은, 소위 "합성가스(synthesis gas or syngas)"로 알려져 있는 혼합가스로 변환시키도록 구성된다. "합성가스"는 약 33 부피%의 수소와 17 부 피%의 일산화탄소를 포함하고, 그 나머지는 비가연성 가스이다. 마지막으로, 연료처리기(10)는, 에탄, 에텐, 프로판, 프로펜, 부탄, 부텐 등을 포함하는 고 탄화수소를 메탄으로 변화시킴으로써 제거하도록 구성된다.
촉매부분산화반응기(14)는, 수소를 수소화탈황반응기(12)에 연속적으로 제공하도록 구성된다. 촉매부분산화반응기(14)는, 연료전지장치의 기동(start up) 동안 프리-리포머(18)에 수소를 제공하도록 구성된다. 연료전지장치의 기동 동안에, 수소와 일산화탄소는 과잉비가연가스와 화합하여 안전가스를 형성한다. 촉매부분산화반응기(14)는 또한, 연료전지장치의 핫아이들(hot idle)상태와 부분적하(part load)상태 동안 수소와 일산화탄소를 연료전지장치에 제공하도록 구성된다. 연료전지장치의 핫아이들(hot idle)상태와 부분적하(part load)상태 동안, 수소와 일산화탄소는 비가연성 가스와 화합하여 합성가스를 형성한다.
연소기(16)는, 연료전지장치의 기동(start up) 및 셧다운(shut down) 동안에, 산소열화공기(oxygen depleted air)와 증기를 프리-리포머(18)에 제공하도록 구성된다. 연소기(16)는 또한, 기동 중에 다른 반응기에 열을 제공함으로써, 다른 반응기가 최대한 빨리 운전온도에 도달할 수 있도록 할 수도 있다.
프리-리포머(18)는, 연료전지장치에서 고 탄화수소의 열적 크랙킹(thermal cracking)을 방지하기 위하여, 하나 이상의 탄소원자를 가진 고 탄화수소의 프리-리포밍(pre-reforming)을 하도록 구성된다. 고 탄화수소의 프리-리포밍은, 수소화분해(hydrogenolysis), 증기 리포밍, 이산화탄소 리포밍, 촉매부분산화 또는 이들 반응의 조합에 의한다. 대표적인 반응은 수소화분해이다.
탄화수소연료의 처리에 있어서, 탄화수소연료를 파이프(22)를 통해 수소화탈황반응기(12)에 공급하는 수단(20)으로부터 예컨데, 천연가스가 공급된다. 처음에는, 탄소수소연료인 천연가스가 파이프(32,36)를 통해 황이 제거되지 않고 밸브(50,52)가 개방된 상태로 수소화탈황반응기(12)로부터 촉매부분산화반응기(14)로 공급된다. 촉매부분산화반응기(14)는 촉매의 유황독성(sulphur poisoning)을 수용하거나 견딜 수 있도록 설계된다. 또한, 파이프(26)를 통해 공기를 공급하기 위한 수단(24)으로부터 공기가 촉매부분산화반응기(14)로 공급된다. 공기는 적절한 공연비로 촉매부분산화반응기(14)에 공급된다. 촉매부분산화반응기(14)는 탄화수소연료인 천연가스와 공기를, 수소와 일산화탄소의 분압이 높은, 예컨데, 합성가스을 함유하는 가스증기로 변환시킨다. 이 가스증기는 수소, 물, 일산화탄소, 이산화탄소 및 질소를 함유한다.
수소와 일산화탄소의 높은 부분압을 함유하고 있는 합성가스인 가스증기는 파이프(46,22)와 재순환수단(54)을 통해 촉매부분산화반응기(14)에서 수소화탈황반응기(12)로 공급되며, 이는 탄화수소연료를 공급하기 위한 수단(20)에 의해 탄화수소연료인 천연가스와 혼합된다. 촉매부분산화반응기(14)에 의해 공급된 수소는 탄화수소연료인 천연가스 내에 존재하는 황성분과 반응하여, 황성분을 황화수소로 변환시킨다. 이 황화수소는 수소화탈황반응기(12) 내의 산화아연판(bed of zinc oxide) 위에 흡수된다. 수소화탈황반응기(12)로부터 공급되는 탄화수소연료인 천연가스는 비로소 극히 낮은 농도의 황을 함유하게 된다.
탈황반응기(12)로부터 촉매부분산화반응기(14)로의 탄화수소연료의 공급과, 촉매부분산화반응기(14)로부터 탈황반응기(12)로의 합성가스의 재순환은, 연료처리기(10)의 모든 작동모드(mode of operation) 동안 일어난다.
연료전지장치의 기동 및 셧다운 상태 동안에, 파이프(32,38) 및 밸브(40)를 통해 천연가스인 탈황된 탄화수소연료가 연소기(16)에 공급된다. 공기는 공기를 공급하기 위한 수단(24)으로부터 파이프(28) 및 밸브(30)를 통해 연소기(16)로 공급된다. 천연가스인 탄화수소연료는, 공기 내에서 연소하여 산소가 결핍된 가스증기를 생성한다. 산소가 결핍된 가스증기는 연소기(16)에 의해 파이프(42,32)를 통해 프리-리포머(18)로 공급되고, 이와 동시에 "합성가스"의 대부분이 촉매부분산화반응기(14)에 의해 파이프(44,32)를 통해 산소가 결핍된 가스증기와 혼합하기 위하여 프리-리포머(18)로 공급되어, 약 5 부피%의 가연성 가스, 즉 "안전가스"를 포함하는 저감혼합가스(reducing gas mixture)를 만든다. 안전가스는, 프리-리포머(18)로부터 연료전지장치까지 파이프(48)를 통해 공급된다. 고체산화물연료전지장치의 온도가 350℃ 이상인 경우라면 "안전가스"는 연료전지장치에 공급되며 "합성가스" 또는 "처리메탄(processed methane)"을 요구하는 것은 아니다. "합성가스"의 소수부분은 파이프(46,22) 및 재순환수단(54)을 통해 탈황반응기(12)로 공급된다. 위와 같은 작동 모드 동안에는, 밸브(30,40)는 개방되고, 밸브(34)는 폐쇄되며, 밸브(50,52)는 개방된다.
연료전지장치의 핫아이들 및 부분적하상태 동안에는, 재순환 연료전지 어노드오프 가스(recirculated fuel cell anode off gas) 내에는, 연료전지장치의 리포 머 내에서 증기-메탄 리포밍을 수행할 증기가 충분하지 않다. 증기리포밍을 필요로 하지 않는 연료처리기가 요구된다. 연료전지장치의 핫아이들 및 부분적하상태 동안에는, 탈황반응기(12)는, 파이프(32,36) 및 밸브(52)를 통한 천연가스인 탈황된 탄화수소연료의 촉매부분산화반응기(14)로의 공급을 증가시킨다. 촉매부분산화반응기(14)는 파이프(44,32)를 통해 "합성가스"의 대부분을 프리-리포머(18)에 공급하고, 파이프(46,22) 및 재순환수단(54)을 통해 "합성가스"의 소수부분을 탈황반응기(12)에 공급한다. 밸브들(30,34 및 40)은 닫혀있다. 촉매부분산화반응기(14)는 "합성가스"의 대부분을 프리-리포머(18)와 파이프(44,32 및 48)를 통해 연료전지장치에 공급한다.
연료전지장치의 정상적인 상태 동안에는, 연료전지장치 내의 리포머 내에서 증기-메탄 리포밍을 수행하는데 있어, 재순환 연료전지 어노드오프 가스 내에 증기가 충분하다. 연료처리기는, 주로 메탄이고 가능한 저농도의 황성분과 고 탄화수소를 함유한 연료공급을 제공할 것이 요구된다. 연료전지장치의 정상적인 상태 동안, 수소화탈황반응기(12)는, 충분히 탈황된 탄화수소연료인 천연가스를 파이프(32,36) 및 밸브(52)를 통해 촉매부분산화반응기(14)에 공급하도록 구성됨으로써, 충분한 수소, "합성가스"가 촉매부분산화반응기(14)에 의해 만들어지고 파이프(46,22) 및 재순환수단(54)를 통해 수소화탈황반응기(12)에 공급되어 수소화탈황반응기(12)로 하여금 탄화수소인 천연가스를 탈황시키도록 한다. 잔여 "합성가스"는 촉매부분산화반응기(14)에 의해 파이프(44,32)를 통해 프리-리포머(18)로 공급된다. 또한, 수소화탈황반응기(12)는 탈황된 탄화수소연료를 파이프(32) 및 밸브(34)를 통해 프리 -리포머(18)에 공급한다. 프리-리포머(18)는 탄화수소연료인 천연가스 내의 고 탄화수소를 수소화분해에 의해 실질적으로 메탄으로 변화시키고, 프리-리포머(18)는 이 메탄을 파이프(48)를 통해 연료전지장치에 공급한다. 밸브(30,40)는 닫혀있다.
수소화탈황반응기(12)는, 황화수소와 탈황촉매, 예컨데 몰리브덴산니켈(nickel molybdate) 및/또는 몰리브덴산코발트(cobalt molybdate)를 흡수하기 위하여 산화아연 및 구리도핑산화아연(copper doped zinc oxide)을 포함한다.
촉매부분산화반응기(14)는 부분산화촉매, 예컨데 코발트, 니켈, 철, 백금, 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium) 또는 몰리브데늄(molybdenum) 중 하나 또는 그 이상을 포함한다.
본 발명의 유리한 효과는, 연료전지장치의 저 적하상태(low load condition) 또는 개방회로상태(open circuit condition)에서, 연료처리기는 "합성가스"를 연료전지장치에 공급하며 이는 연료전지장치에 의한 어떤 부가적 처리가 필요없게 되는데, 예컨데 증기가 필요 없다. 촉매부분산화반응기는, 연료전지장치의 상태와는 무관하게 제어된 탈황처리를 제공하고, 연료전지장치의 적하상태를 따를 필요가 없다.
본 발명의 또 다른 유리한 효과는, 프리-리포머는 고 탄화수소를 메탄으로 변화시키기기 위해 주로 수소화분해(hydrogenolysis)를 사용한다는 것이다. 수소화분해는 증기리포밍과 같이 물 또는 증기의 외부공급을 필요로 하지 않으며, 메탄이 아닌 고 탄화수소를 선택적으로 처리하기 위한 반응상태 제어에 대한 주의를 요하지 않는다.
추가적 유리한 효과는, 수소화탈황반응기, 연소기, 부분산화반응기 및 프리-리포머의 통합으로 인해 연료처리기의 과정이 단순해지고 구성요소면에서의 감소를 가져온다. 열관리가 용이해져서, 어느 한 반응기에서 생성된 열이 다른 반응기에 의해 사용될 수 있다. 위 결과는, 탄화수소인 천연가스의 저위발열량(lower heating value)의 손실을 줄이게 된다.
수소화분해는 통상, 탄소원자 간의 단일결합을 가진 탄화수소분자와 반응하여 탄소결합을 깨고 두 개의 다른 저 탄화수소분자를 생성하는 반응이다.
예 1. 프로판 + 수소 = 에탄 + 메탄,
예 2. 톨루엔 + 수소 = 벤젠 + 메탄,
예 3. 부탄 + 수소 = 에탄 + 에탄.
도 2에 나타낸 바와 같이, 연료전지장치를 위한 본 발명에 따른 대체적 연료처리기(110)는, 수소화탈황반응기(12)와, 촉매부분산화반응기(14)와, 연소기(16) 및 프리-리포머(18)를 포함하고 있다. 파이프(22) 및 밸브(56)를 통해 수소화탈황반응기(12)에 탄화수소를 공급하기 위한 수단(20)이 있고, 파이프(26) 및 밸브(60)를 통해 촉매부분산화반응기(14)에 공기를 공급하기 위한 수단(24)이 있으며, 파이프(28) 및 밸브(30)를 통해 연소기(16)에 공기를 공급하기 위한 수단(24)이 있다. 수소화탈황반응기(12)는 파이프(32)와 밸브(34)를 통해 프리-리포머(18)에 연결되어 있다. 촉매부분산화반응기(14)는 파이프(22A)와 밸브(58)를 통해 탄화수소연료를 공급하기 위한 수단(20)에 연결되어 있다. 수소화탈황반응기(12)는 또한, 파이프(32,38)와 밸브(40)를 통해 연소기(16)에 연결되어 있다. 연소기(16)는 파이 프(42)를 통해 프리-리포머(18)에 연결되어 있다. 촉매부분산화반응기(14)는 파이프(46), 수소화탈황반응기(12), 파이프(32) 및 밸브(34)를 통해 프리-리포머(18)에 연결되어 있다. 촉매부분산화반응기(12)는 파이프(46)를 통해 수소화탈황반응기(12)에 연결되어 있다. 프리-리포머(18)는 생성가스를 공급하기 위해 파이프(48)를 통해 연료전지장치 또는 그 밖의 장치에 연결된다.
연료처리기(110)는 실질적으로 도 1을 참조하여 설명된 방법과 동일한 방법으로 동작한다. 다만, 촉매부분산화반응기(14)가 "합성가스"의 일부분을 수소화탈황반응기(12)에 재순환시키지 않고, 모든 "합성가스"를 수소화탈황반응기(12)에 공급하는 것에 차이가 있다. 또한, 탈황되지 않은 탄화수소연료인 천연가스를 촉매부분산화반응기(14)에 공급하기 때문에, 촉매부분산화반응기(14)는 연료처리기(110)의 수명을 위해 황성분에 더욱 잘 견뎌야 하거나, 구간적(at interval)으로 교체가능해야 할 것이다.
연료처리기는 연료전지장치, 특히 고체산화물 연료전지장치에 연료를 공급하는데 적용할 수 있다. 그러나, 본 연료처리기는 다른 화학적 공정에 연료를 공급하는데도 적절하게 사용되어 질 수 있다.

Claims (21)

  1. 연료전지장치를 위한 연료처리기의 작동방법에 있어서,
    (a) 제1작동모드에서 상기 연료전지장치에 안전가스(safe gas)를 공급하는 단계와,
    (b) 제2작동모드에서 상기 연료전지장치에 합성가스(synthesis gas)를 공급하는 단계 및
    (c) 제3작동모드에서 상기 연료전지장치에 처리된 탄화수소연료를 공급하는 단계를 포함하는, 연료처리기의 작동방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1작동모드는, 상기 연료전지장치의 기동(start up) 및/또는 셧다운(shut down)상태인 것을 특징으로 하는 연료처리기의 작동방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2작동모드는, 상기 연료전지장치의 핫아이들(hot idle) 및/또는 부분적하(part load)상태인 것을 특징으로 하는 연료처리기의 작동방법.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제3작동모드는, 상기 연료전지장치의 정상(normal)상태인 것을 특징으 로 하는 연료처리기의 작동방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1작동모드는, 탄화수소연료를 탈황(desulphurising)시키는 단계와, 합성가스를 생성하기 위해 상기 탈황된 탄화수소연료 상에 촉매부분산화(catalytic partial oxidation)를 수행하는 단계와, 산소고갈가스(oxygen depleted gas)를 생성하기 위해 상기 탈황된 탄화수소연료를 태우는 단계 및 안전가스를 생성하기 위해 상기 합성가스와 상기 산소고갈가스를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기의 작동방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2작동모드는, 탄화수소연료를 탈황시키는 단계와, 합성가스를 생성하기 위해 상기 탈황된 탄화수소연료 상에 촉매부분산화를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기의 작동방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제3작동모드는, 탄화수소연료를 탈황시키는 단계와, 합성가스를 생성하기 위해 상기 탈황된 탄화수소연료 상에 촉매부분산화를 수행하는 단계와, 상기 합성가스와 상기 탈황된 탄화수소연료를 혼합하는 단계 및 상기 처리된 탄화수소연료를 생성하기 위해 상기 탈황된 탄화수소연료를 프리-리포밍(pre-reforming)하는 단 계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기의 작동방법.
  8. 제5항, 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 탈황단계는, 상기 합성가스 내에 있는 수소와 상기 탄화수소연료 내에 있는 황성분을 반응시켜 황화수소를 형성하기 위해 상기 합성가스와 상기 탄화수소연료를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기의 작동방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탈황단계는, 황화수소를 흡수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기의 작동방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 탈황된 탄화수소연료의 프리-리포밍단계는, 수소화분해(hydro genolysis)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기의 작동방법.
  11. 제1작동모드에서 연료전지장치에 안전가스를 공급하기 위한 수단과, 제2작동모드에서 상기 연료전지장치에 합성가스를 공급하기 위한 수단 및 제3작동모드에서 상기 연료전지장치에 처리된 탄화수소연료를 공급하기 위한 수단을 포함하는, 연료전지장치를 위한 연료처리기(10).
  12. 제11항에 있어서,
    탈황반응기(12)와, 촉매부분산화반응기(14)와, 연소기(16)와, 프리-리포머(18)와, 탄화수소연료를 상기 탈황반응기(12)에 공급하기 위한 수단(20)과, 상기 촉매부분산화반응기(14)에 공기를 공급하기 위한 수단(24) 및 상기 연소기(16)에 공기를 공급하기 위한 수단(24)을 포함하되,
    상기 탈황반응기(12)는 상기 탈황된 탄화수소연료를 상기 촉매부분산화반응기(14), 상기 연소기(16) 및 상기 프리-리포머(18)에 공급하도록 배치되고,
    상기 연소기(16)는 산소고갈공기와 증기를 상기 프리-리포머(18)에 공급하도록 배치되고,
    상기 촉매부분산화반응기(14)는 수소를 상기 탈황반응기(12)에 공급하도록 배치되고, 수소를 상기 프리-리포머(18)에 공급하도록 배치되며,
    상기 프리-리포머(18)는 상기 연료전지장치에 생성가스를 공급하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료전지장치를 위한 연료처리기.
  13. 제11항에 있어서,
    탈황반응기(12)와, 촉매부분산화반응기(14)와, 연소기(16)와, 프리-리포머(18)와, 탄화수소연료를 상기 탈황반응기(12)에 공급하기 위한 수단(20)과, 탄화수소연료를 상기 촉매부분산화반응기(14)에 공급하기 위한 수단(20)과, 상기 촉매부분산화반응기(14)에 공기를 공급하기 위한 수단(24) 및 상기 연소기(16)에 공기 를 공급하기 위한 수단(24)을 포함하되,
    상기 탈황반응기(12)는 상기 탈황된 탄화수소연료를 상기 연소기(16) 및 상기 프리-리포머(18)에 공급하도록 배치되고,
    상기 연소기(16)는 산소고갈공기와 증기를 상기 프리-리포머(18)에 공급하도록 배치되고,
    상기 촉매부분산화반응기(14)는 수소를 상기 탈황반응기(12)에 공급하도록 배치되고, 수소를 상기 프리-리포머(18)에 공급하도록 배치되며,
    상기 프리-리포머(18)는 생성가스를 상기 연료전지장치에 공급하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료전지장치를 위한 연료처리기.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 탈황반응기(12)는, 수소를 상기 탄화수소연료 내에 있는 황과 반응시키기 위한 수소화탈황촉매(hydrodesulphurisation catalyst)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지장치를 위한 연료처리기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 탈황촉매는, 몰리브덴산니켈(nikel molydate) 및/또는 몰리브덴산코발트(cobalt molydate)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지장치를 위한 연료처리기.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탈황반응기(12)는 황화수소를 흡수하기 위하여, 산화아연과 구리도핑 산화아연(copper doped zinc oxide)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지장치를 위한 연료처리기.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리-리포머(18)는 프리-리포밍 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지장치를 위한 연료처리기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 프리-리포밍 촉매는, 수소화분해 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지장치를 위한 연료처리기.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 촉매는, 니켈 또는 코발트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지장치를 위한 연료처리기.
  20. 제12항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매부분산화반응기(14)는 부분산화촉매(partial oxidation catalyst) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지장치를 위한 연료처리기.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 부분산화촉매는, 코발트, 니켈, 철, 백금, 로듐, 루테늄 또는 몰리브데늄 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지장치를 위한 연료처리기.
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