KR20080046030A - Ｃｏ 제거유닛의 워밍업 구조가 개선된 연료개질기 및 그운영방법 - Google Patents

Ｃｏ 제거유닛의 워밍업 구조가 개선된 연료개질기 및 그운영방법 Download PDF

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이현철
김순호
이두환
이강희
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

CO 제거유닛의 워밍업 구조가 개선된 연료개질기 및 그 운영방법이 개시된다. 개시된 연료개질기는, 연료원을 물과 반응시켜서 수소가스를 추출해내는 리포머와, 그 리포머에서의 수소 추출 반응 중 생성된 일산화탄소를 제거하는 것으로, 수증기에 의한 반응을 촉진시키는 제1촉매와 산소에 의한 반응을 촉진시키는 제2촉매가 함께 내장된 CO 쉬프트기 및, 산소에 의한 반응을 촉진시키는 제3촉매가 내장된 CO 제거기를 포함하는 CO 제거유닛, 그리고 CO 제거기와 CO 쉬프트기에 선택적으로 에어를 공급하는 에어공급유닛을 구비한다. 이러한 연료개질기를 운영하게 되면, 초기 스타트 시 산소와의 직접 반응을 이용한 CO 쉬프트기의 급속 가열이 가능하므로, 연료개질기의 정상 가동까지 걸리는 워밍업 시간을 대폭 단축할 수 있다.

Description

ＣＯ 제거유닛의 워밍업 구조가 개선된 연료개질기 및 그 운영방법{Fuel processor providing improved warming up structure for CO removing unit and managing method thereof}
도 1은 일반적인 연료전지의 전기 생성 원리를 설명하는 도면,
도 2는 연료전지에 공급될 연료를 개질하는 연료개질기의 일반적인 구성을 보인 도면,
도 3은 본 발명에 따른 연료개질기의 전체 구성을 도시한 도면,
도 4는 도 3의 연료개질기 중 CO 제거유닛의 구조를 도시한 도면,
도 5는 도 3의 연료개질기를 스타트 했을 때 CO 쉬프트기의 내부 온도 및 성분 변화를 나타낸 그래프.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100...연료개질기 110...탈황기
120...리포머 130...버너
150a...제1촉매 150b...제2촉매
150c...제3촉매
151...CO 쉬프트기 152...CO 제거기
190...에어공급관 191,192...밸브
본 발명은 연료전지에 공급되는 연료를 사용에 적합하도록 개질하는 연료개질기에 관한 것으로서, 특히 CO 제거유닛의 워밍업 구조가 개선된 연료개질기 및 그 운영방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 도 1은 이러한 연료전지의 에너지 전환 구조를 개략적으로 보인 것으로, 도면과 같이 캐소드(cathode; 1)에 산소를 포함한 공기가, 애노드(anode; 3)에 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(2)을 통해 물의 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생하게 된다. 그런데, 통상적으로 이러한 단위 셀 하나에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 여러 개의 셀(4)을 직렬로 연결한 스택(stack)의 형태로 사용하게 된다.
한편, 이러한 스택에 수소를 공급하기 위한 연료원(fuel source)으로는, 천연가스와 같은 탄화수소 계열 물질이 이용되며, 도 2에 도시된 바와 같은 연료개질기(10)에서 그 연료원으로부터 수소를 추출하여 스택(20)에 공급하게 된다.
이 연료개질기(10)의 세부 구성으로는, 탈황기(11)와, 리포머(reformer;12), 버너(13), 물 공급용 펌프(16), 제1,2열교환기(14a)(14b), 그리고 CO 쉬프트기(15a)와 CO 제거기(15b)로 구성된 CO 제거유닛(15) 등이 구비되어 있는데, 상기 한 수소 추출과정은 상기 리포머(12)에서 진행된다. 즉, 연료탱크(17)에서 연료원으로 들어온 탄화수소 계열의 가스와 물탱크(18)에서 상기 물 공급용 펌프(16)를 통해 들어온 수증기가, 상기 버너(13)에 의해 가열되는 리포머(12) 안에서 하기의 화학식 1과 같은 반응을 일으키며 수소를 생성하게 된다.
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
그런데, 이때 부산물로서 이산화탄소만 생성이 되면 별 문제가 없지만, 실제로는 일산화탄소도 같이 생성이 된다. 일산화탄소 10ppm 이상이 혼합된 연료가 스택(20)에 공급되면 전극이 피독되어 연료전지의 성능을 급격히 떨어뜨릴 수 있기 때문에, 리포머(12) 출측에 CO쉬프트기(15a)와 CO제거기(15b)를 배치하여 일산화탄소 함량을 10ppm 이하가 되도록 통제하는 것이다.
상기 CO 쉬프트기(15a)에서는 하기의 화학식 2와 같은 반응이 진행되며, CO 제거기(15b)에서는 화학식 3, 화학식 4 및 화학식 5와 같은 반응이 진행된다. CO 쉬프트기(15a)를 통과한 연료에는 일산화탄소 함량이 5,000ppm 이하 수준이 되고, 이 연료가 CO 제거기(15b)까지 통과한 후에는 일산화탄소 함량이 10ppm 아래로 떨어진다. 상기 CO 쉬프트기(15a) 내부에는 수증기에 의한 반응(화학식 2)을 촉진시키는 Cu/ZnO/Al2O3, Pt 계열, Au 계열 등의 제1촉매가 내장되어 있고, 상기 CO 제거기(15b)에는 산소에 의한 반응(화학식 2,4)을 촉진시키는 Pt, Ru, Au 계열 등의 제2촉매가 내장되어 있다.
CO + H2O → CO2 + H2
CO + ½O2 → CO2
H2 + ½O2 → H2O
CO + 3H2 → CH4 + H2O
그리고, 리포머(12)의 입측에 배치된 탈황기(11)는 연료원에 함유된 유황 성분을 제거하는 역할을 한다. 이 유황 성분은 10ppb(parts per billion) 이상만 스택(20)에 유입돼도 전극을 피독시킬 위험이 매우 높은 물질이기 때문에, 탈황기(11)를 통과시키며 유황 성분을 흡착 제거하는 것이다.
이러한 연료개질기(10)가 작동이 되면, 연료탱크(17)로부터 천연가스와 같은 연료원이 탈황기(11)를 경유하여 리포머(12)로 공급되며, 연료원의 일부는 버너(13)를 지피는 연료로 사용된다. 그리고, 리포머(12)에서는 제1,2열교환기(14a)(14b)를 통해 들어온 수증기와 탈황된 연료원이 반응하여 수소를 생성하게 되며, 이렇게 생성된 수소 연료는 CO 쉬프트기(15a)와 CO 제거기(15b)를 거치면서 일산화탄소 함량을 10ppm 이하로 줄인 후 스택(20)으로 공급된다.
그런데, 이와 같이 연료개질기(10)를 처음에 가동시킬 때에는, 리포머(12)나 CO 쉬프트기(15a)가 상온으로 냉각되어 있던 상태이기 때문에, 바로 정상 작동이 되지는 못하고, 어느 정도 가열되는 시간이 경과한 후에야 정상적인 기능을 발휘하게 된다. 이때, 리포머(12) 보다는 CO 쉬프트기(15a)가 문제가 되는데, 그것은 리포머(12)의 경우 버너(13)에 의해 직접 가열이 되면서 상당히 짧은 시간 안에 온도 상승이 유도될 수 있지만, CO 쉬프트기(15a)는 리포머(12)에서 가열된 연료가 들어가면서 간접적으로 가열이 되며 온도가 상승하기 때문에, 정상작동 온도에 도달하기까지 시간이 많이 소요된다. 통상 리포머(12)의 정상작동 온도를 700℃ 정도로 보고, CO 쉬프트기(15a)의 정상작동 온도를 200℃ 정도로 보는데, 리포머(12)가 처음 스타트하여 700℃에 도달할 때까지는 약 20분 정도밖에 걸리지 않지만, CO 쉬프트기(15a)가 200℃에 도달할 때까지는 약 1시간 정도가 걸리는 것으로 측정되고 있다. 따라서, 아무리 리포머(12)가 빨리 정상 상태에 도달한다해도, CO 쉬프트기(15a)가 정상 상태에 도달할 때까지는 연료개질기(10)가 정상 가동되지 못하고 대기해야 하는 문제가 있다. 다시 말하면, 연료개질기(10)를 처음에 스타트하고 20분 정도면 리포머(12)에서 정상적으로 수소 연료를 생산하게 되지만, 그 안에 함유된 CO 성분을 5,000ppm 이하로 낮추려면 1시간은 기다려야 하는 것이다.
따라서, 연료개질기(10)의 스타트 후 정상 가동 시까지 걸리는 시간을 단축하려면, 특히 CO 쉬프트기(15a)에 대한 보다 빠른 초기 가열 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, CO 제거유닛의 초기 가열 시간을 대폭 단축할 수 있도록 워밍업 구조가 개선된 연료개질기 및 그것을 운영하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료개질기는, 연료원을 물과 반응시켜서 수소가스를 추출해내는 리포머; 상기 리포머에서의 수소 추출 반응 중 생성된 일산화탄소를 제거하는 것으로, 수증기에 의한 반응을 촉진시키는 제1촉매와 산소에 의한 반응을 촉진시키는 제2촉매가 함께 내장된 CO 쉬프트기 및, 산소에 의한 반응을 촉진시키는 제3촉매가 내장된 CO 제거기를 포함하는 CO 제거유닛; 상기 CO 제거기와 CO 쉬프트기에 선택적으로 에어를 공급하는 에어공급유닛;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 CO 쉬프트기에서 상기 제1촉매는 그 CO 쉬프트기의 내부 전체에 고르게 분포하고, 상기 제2촉매는 상기 CO 쉬프트기의 입측에 집중 배치되는 것이 바람직하며, 상기 제1촉매는 Cu/ZnO/Al2O3 , Fe/Cr 산화물, 금속산화물, Pt 계열, Au 계열 중 적어도 어느 하나를, 상기 제2촉매는 Pt, Ru, Au, 금속산화물 중 적어도 어느 하나를, 상기 제3촉매도 Pt, Ru, Au, 금속산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 에어공급유닛은, 에어공급원과 상기 CO 제거기와 CO 쉬프트기를 연결하는 에어공급관과, 그 에어공급관에 개폐 가능하게 설치된 밸브를 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료개질기 운영방법은, 버너에 의해 가열되는 리포머에서 연료원와 물을 반응시켜 스택에 공급할 수소를 추출하고, CO 쉬프트기와 CO 제거기를 포함하는 CO 제거유닛에서 그 수소 추출과정 중 생성된 일산화탄소 성분을 제거하는 연료개질기의 운영방법에 있어서, 상기 CO 쉬프트기에는 수증기에 의한 반응을 촉진시키는 제1촉매와 산소에 의한 반응을 촉진시키는 제2촉매를 함께 내장하고, 상기 CO 제거기에는 산소에 의한 반응을 촉진시키는 제3촉매를 내장하여 CO 제거유닛을 준비하는 단계; 초기 스타트 모드 시, 상기 리포머가 적정 온도에 도달하면 상기 CO 쉬프트기와 상기 CO 제거기에 상기 리포머를 통과한 가스와 함께 각각 에어를 공급하여 상기 제2촉매로 촉진되는 일산화탄소와 산소의 반응을 진행시키는 단계; 및, 상기 CO 쉬프트기의 온도가 적정 온도에 도달하면, 그 CO 쉬프트기로의 에어 공급은 중단시키고 상기 CO 제거유닛을 통과한 가스를 연료 전지로 공급하는 정상 작업 모드로 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 리포머의 적정 온도는 최고점의 온도가 500℃, 상기 CO 쉬프트기의 적정 온도는 최고점의 온도가 200℃인 것이 바람직하다.
또한, 상기 CO 쉬프트기로 공급되는 에어의 양은 0.05< (산소 부피/일산화탄소 부피) <5 의 범위가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신 의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료개질기(100)의 구조를 블록도로 도시한 것인데, 기본적인 구조는 종래와 마찬가지로 탈황기(110), 리포머(120), 버너(130), 그리고 CO 쉬프트기(151)와 CO 제거기(152)로 구성된 CO 제거유닛(150) 등을 포함하는 구조로 이루어져 있다. 즉, 연료탱크(170)로부터 천연가스와 같은 연료원이 공급되면, 탈황기(110)에서 그 연료원에 함유된 유황성분을 흡착 제거하고, 리포머(120)에서는 그 연료원을 펌프(160)에 의해 물탱크(180)에서 공급된 수증기와 반응시켜서 스택(20)에 공급할 수소 가스를 추출해내며, 이 과정에서 만들어진 일산화탄소는 상기 CO 쉬프트기(151)를 통과한 후 5,000ppm 이하로 제거되고, CO 제거기(152)를 통과한 후에는 10ppm 이하로 제거되는 기본 구조를 가지고 있다. 참조부호 141과 142는 리포머(120)로 공급되는 물을 예열하기 위한 제1,2열교환기를 나타낸다.
그런데, 이와 같이 기본적인 요소의 배치구조는 기존과 비슷하지만, 본 발명에서는 연료개질기(100)를 스타트할 때 정상 가동 상태에 빨리 도달할 수 있도록 하기 위한 CO 쉬프트기(151)의 급속 가열 구조가 추가로 구비되어 있다.
즉, 기존과 달리 상기 CO 제거유닛(150)의 CO 제거기(152)에만 에어 공급이 이루어지는 것이 아니라, CO 쉬프트기(151)에도 에어 공급이 이루어질 수 있도록 에어공급관(190)과 밸브(191)(192)가 구비되어 있다. 따라서, 필요 시 CO 쉬프트기(151)에도 에어를 공급할 수 있는 구조를 가지고 있다. 또한, CO 쉬프트기(151) 내부에는 도 4에 도시된 바와 같이, 수증기에 의한 반응을 촉진시키는 제1촉매(150a) 뿐만 아니라, 산소에 의한 반응을 촉진시키는 제2촉매(150b)가 함께 내장되어 있다. 즉, 본래 CO 쉬프트기(151)에서는 제1촉매(150a)를 이용하여 일산화탄소를 수증기와 반응시켜서 이산화탄소로 변화시키는 것이고, CO 제거기(152)에서는 산소에 의한 반응을 촉진시키는 제3촉매(150c)를 이용하여 일산화탄소를 산소와 직접 반응시키셔 이산화탄소로 변화시키는 것인데, 본 발명에서는 CO 쉬프트기(151) 내부에도 산소와의 직접 반응을 촉진시키는 제2촉매(150b)를 입구 측에 집중해서 배치해놓고 있다. 이것은 급속한 승온이 필요한 초기 스타트 모드 시에, 일산화탄소와 산소(화학식 3) 및 수소와 산소(화학식 4)와의 직접 반응을 유도하여 내부 온도를 빠르게 올릴 수 있도록 한 구성이다. 통상 일산화탄소와 산소의 반응에서는 67.6kcal/mol의 열이, 수소와 산소의 반응에서는 58.6kcal/mol의 열이 발생되기 때문에, 20kcal/mol 정도가 발생되는 일산화탄소와 수증기의 반응(화학식 2)에 비해 약 3배 정도 빠르게 승온이 진행될 수 있다. 그리고, 입구 측에 제2촉매(150b)를 집중 배치한 것은, CO 쉬프트기(151)로 들어오는 에어가 제2촉매(150b)와 바로 접촉하며 반응하게 함으로써 내부 온도를 더 빠르게 상승시키기 위한 조치이다. 실험으로도, 산소에 의한 반응은 촉매 층의 앞쪽에서 대부분 일어난다고 알려지고 있 으므로, 이와 같이 산소가 들어오는 입측에 제2촉매(150b)를 배치하는 것이 효과적이다. 상기 제1촉매(150a)로는 Cu/ZnO/Al2O3 , Fe/Cr 산화물, 금속산화물, Pt 계열, Au 계열 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있고, 제2촉매(150b)와 제3촉매(150c)로는 Pt, Ru, Au, 금속산화물 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다. 제2촉매(150b)와 제3촉매(150c)는 같은 종류의 것이 사용될 수 있다.
또한, 정상 작업 시에는 본래의 기능대로 CO 쉬프트기(151)로의 에어 공급은 중단하여, CO 쉬프트기(151)에서는 제1촉매(150a)로 촉진되는 일산화탄소와 수증기의 반응이, CO 제거기(152)에서는 제3촉매(150c)로 촉진되는 일산화탄소와 산소에 의한 반응이 각각 진행되도록 한다. 물론, 정상 모드에서도 CO 쉬프트기(151)로 에어를 계속 공급하면서 CO를 제거할 수도 있겠지만, 그렇게 되면 정작 연료 전지로 보내야 할 수소까지 다 산화되어 버리게 된다. 따라서, 정상 작업 시 대량의 일산화탄소는 CO 쉬프트기(151)에서 수증기에 의한 반응으로 제거하고, CO 제거기(152)에서 5,000ppm 이하의 일산화탄소를 10ppm 이하로 낮추는 미소 량 조절에만 산소에 의한 반응을 사용하는 것이다.
이와 같은 구성의 연료개질기(100)는 다음과 같이 운영할 수 있다.
일단, 초기에 연료개질기(100)를 스타트할 때에는 리포머(120)나 CO 쉬프트기(151) 등이 모두 상온으로 식혀져 있는 상태이므로, 급속 가열을 위한 스타트 모드로 운전을 개시한다.
먼저, 버너(130)를 점화하여 리포머(120)의 내부 온도를 상승시킨다. 리포 머(120)는 버너(130)에 의해 직접 가열이 되기 때문에, 전술한 바와 같이 정상 가동 온도인 700℃까지도 약 20분 정도면 충분히 도달하게 된다.
그러나, 700℃에 도달할 때까지 계속 기다리는 것은 아니고, 가열이 진행되어 리포머(120)의 내부 온도가 약 500℃에 도달하게 되면, 리포머(120)에 연료원인 탄화수소 가스와 물을 공급한다. 500℃까지는 버너 점화 후 5~10분이면 도달할 수 있다. 이렇게 되면 버너(130)에 의해 리포머(120)는 가열되면서 온도가 계속 상승하게 되고, 그 안에 들어온 가스와 물은 반응하여 수소가스를 만들어내게 된다(화학식 1). 그리고, 이렇게 리포머(120)를 통과한 개질 가스(reformed gas)는 CO 제거유닛(150)의 CO 쉬프트기(151)와 CO 제거기(152)를 차례로 통과하게 되는데, 이때 상기 밸브(191)(192)를 모두 열어서 CO 쉬프트기(151)와 CO 제거기(152)에 모두 에어를 공급한다. 그러면, CO 쉬프트기(151)로 들어온 개질 가스 중의 일산화탄소 및 수소는 에어 중의 산소와 직접 반응하면서 활발한 발열반응을 일으키게 된다. 통상, 리포머(120)를 통과한 개질 가스 중에 80%는 수소, 10%는 일산화탄소, 10%는 이산화탄소인 것으로 알려져 있다. 따라서, 실제로 메인 발열반응은 수소의 산화반응이 되며, 이때 도 5의 그래프에 나타난 바와 같이 약 60%의 수소가 산화되면서 발열반응을 일으키고 20% 정도만 남는 것으로 측정되고 있다. 따라서, 앞에서도 언급한 바와 같이 이 반응은 급속 승온이 필요한 초기 스타트 모드에만 사용하고, 정상 모드에서는 산소와의 산화반응은 CO 제거기(152)에서만 진행시켜야 한다. 물론, 일산화탄소도 산화반응을 일으키며 제거되는데, 도 5의 그래프에 나타난 바와 같이 반응 개시 후 10분 정도가 지나면 CO 제거기로 통과시켜도 되는 5,000ppm 수 준이 되는 것으로 나타났다. 따라서, 일산화탄소 성분으로는 10분만 지나면 이미 정상 수준에 도달하는 것인데, 온도의 변화를 보면 약 20분 정도 지나야 200℃에 도달하는 것으로 나타났다. 따라서, 반응 개시 후 20분이 지나면 정상 모드로 전환할 수 있는 온도 조건에 도달하게 된다. 참고로, 도 5의 온도 그래프는 CO 쉬프트기(151)의 중앙부 온도 변화를 측정한 결과이다.
이와 같이 CO 쉬프트기(151)에서의 직접 산화반응에 의해 CO 쉬프트기(151)의 내부 온도가 200℃에 도달하면, 바로 정상 작업 모드로 절환한다. 정상 작업 모드에서는, 전술한 바대로 에어공급관(190)의 밸브(191)(192)를 조작하여 CO 쉬프트기(151)로의 에어 공급은 중단하고 CO 제거기(152)로만 에어를 공급한다. 이때부터는, 리포머(120)를 통과한 개질 가스 중의 일산화탄소가 CO 쉬프트기(151)에서는 수증기와 반응하여 제거되고, CO 제거기(152)에서만 산소와 직접 반응하여 제거된다. 그리고, 이렇게 일산화탄소가 제거된 가스가 스택(20)에 공급되어 정상적인 연료전지의 가동이 진행되는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 연료개질기를 운영하게 되면, 초기 스타트 후 약 20분 정도면 정상 작업 모드로 전환이 가능하기 때문에, 기존에 스타트 후 최소 1시간을 기다려야 정상적인 수소 가스 공급이 가능하던 것에 비하면, 대기 시간을 크게 줄일 수 있는 셈이다. 다시 말해서, 스타트 시간을 대폭 단축할 수 있는 연료개질기와 그것을 채용한 연료전지 시스템이 구현된 것이다.
한편, 스타트 모드 시 상기 CO 쉬프트기(151)에 공급되는 에어의 양은, 부피 비율로 일산화탄소 양의 0.05~5배 사이가 되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 일산 화탄소와 수소를 산화시키면서 발열반응을 일으켜야 하므로 원활한 반응이 일어날 정도의 양은 공급하되, 너무 많이 공급되면 수소가 다 사라져버리기 때문에 일산화탄소 량의 5배를 넘지 않도록 시간당 공급량을 조절하는 것이 좋다. CO 쉬프트기(152)로 들어오는 개질 가스 중의 10% 정도가 일산화탄소인 것으로 알려져 있으므로, 개질 가스의 시간당 투입량과 에어의 시간당 공급량을 상기의 범위가 되도록 세팅하면 무난하게 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 연료개질기는 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 초기 스타트 시 산소와의 직접 반응을 이용한 CO 쉬프트기의 급속 가열이 가능하므로, 연료개질기의 정상 가동까지 걸리는 시간을 대폭 단축할 수 있다.
둘째, 초기 스타트 시의 대기 시간이 단축되기 때문에, 예컨대 정비 등의 사유로 연료개질기의 가동을 정지시키더라도 재가동에 대한 부담이 줄어들게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 연료원을 물과 반응시켜서 수소가스를 추출해내는 리포머;
    상기 리포머에서의 수소 추출 반응 중 생성된 일산화탄소를 제거하는 것으로, 수증기에 의한 반응을 촉진시키는 제1촉매와 산소에 의한 반응을 촉진시키는 제2촉매가 함께 내장된 CO 쉬프트기 및, 산소에 의한 반응을 촉진시키는 제3촉매가 내장된 CO 제거기를 포함하는 CO 제거유닛;
    상기 CO 제거기와 CO 쉬프트기에 선택적으로 에어를 공급하는 에어공급유닛;을 구비하는 연료개질기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 CO 쉬프트기에서, 상기 제1촉매는 그 CO 쉬프트기의 내부 전체에 고르게 분포하고, 상기 제2촉매는 상기 CO 쉬프트기의 입측에 집중 배치된 것을 특징으로 하는 연료개질기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1촉매는 Cu/ZnO/Al2O3 , Fe/Cr 산화물, 금속산화물, Pt 계열, Au 계열 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 제2촉매 및 제3촉매는 Pt, Ru, Au, 금속산화물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료개질기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에어공급유닛은, 에어공급원과 상기 CO 제거기와 CO 쉬프트기를 연결하는 에어공급관과, 그 에어공급관에 개폐 가능하게 설치된 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료개질기.
  5. 버너에 의해 가열되는 리포머에서 연료원와 물을 반응시켜 스택에 공급할 수소를 추출하고, CO 쉬프트기와 CO 제거기를 포함하는 CO 제거유닛에서 그 수소 추출과정 중 생성된 일산화탄소 성분을 제거하는 연료개질기의 운영방법에 있어서,
    상기 CO 쉬프트기에는 수증기에 의한 반응을 촉진시키는 제1촉매와 산소에 의한 반응을 촉진시키는 제2촉매를 함께 내장하고, 상기 CO 제거기에는 상기 제2촉매를 내장하여 CO 제거유닛을 준비하는 단계;
    초기 스타트 모드 시, 상기 리포머가 적정 온도에 도달하면 상기 CO 쉬프트기와 상기 CO 제거기에 상기 리포머를 통과한 가스와 함께 각각 에어를 공급하여 상기 제2촉매로 촉진되는 일산화탄소와 산소의 반응을 진행시키는 단계;
    상기 CO 쉬프트기의 온도가 적정 온도에 도달하면, 그 CO 쉬프트기로의 에어 공급은 중단시키고 상기 CO 제거유닛을 통과한 가스를 연료 전지로 공급하는 정상 작업 모드로 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료개질기 운영방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리포머의 적정 온도는 최고점의 온도가 500℃인 것을 특징으로 하는 연료개질기 운영방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 CO 쉬프트기의 적정 온도는 최고점의 온도가 200℃인 것을 특징으로 하는 연료개질기 운영방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 CO 쉬프트기로 공급되는 에어의 양은 0.05< (산소 부피/일산화탄소 부피) <5 의 범위가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료개질기 운영방법.
  9. 상기 제1항의 연료개질기를 채용한 연료전지 시스템.
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