KR20080096994A - 연료 전지 시스템의 탈황 장치, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

연료 전지 시스템의 탈황 장치, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄화 수소 연료에 포함되어 있는 수분을 선택적으로 흡수하는 탈습부; 및 상기 탈습부를 통과한 탄화 수소 연료에 포함되어 있는 황 화합물을 흡수하는 탈황부를 포함하는 연료 전지용 탈황 장치를 제공한다.
상기 탈황 장치는 수분을 선택적으로 흡수하는 탈습부를 더 포함함으로써, 탈황 효율이 개선된다. 따라서, 탈황재의 부피를 저감할 수 있고, 이에 따라 비용을 절감할 수 있다.
연료전지시스템, 연료전지, 탈황장치, 탈습부, 탈습재, 탈황부, 탈황재

Description

연료 전지 시스템의 탈황 장치, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{DESULFURIZING DEVICE FOR FUEL CELL, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내는 분해 사시도.
도 3은 도 1에 도시한 탈황 장치의 구조를 나타내는 단면도.
도 4는 상용 액화 석유 가스의 가스 크로마토그래피(gas chromatography) 분석 결과를 나타내는 그래프.
도 5는 비교예 1, 2, 및 실시예 1의 탈황 장치의 성능 평가 결과를 나타내는 그래프.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 탈황 장치, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 탈황 효율을 개선하여 탈황재의 부피를 저감하고, 비용을 절감한 탈 황 장치, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
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 전지로 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 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 스택으로 공급하는 개질기와, 산화제를 스택으로 공급하기 위한 산화제 공급부를 구비한다. 따라서 스택에서는 개질기로부터 공급되는 개질 가스, 및 산화제 공급부로부터 공급되는 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
상기 연료로 사용될 수 있는 천연 가스, 가솔린, 디젤 연료, 나프타, 연료 오일, 및 그 유사 탄화 수소 연료 등은 그 사용중 누출시 발생할 수 있는 위험을 예방하고자 t-부틸머캅탄(t-butylmercaptan), 테트라하이드로티오펜(tetrahydrothiophene), 이소프로필머캅탄(isopropylmercaptan) 등의 황 화합물 부취제가 미량 포함되어 있다.
상기 황 화합물 부취제는 가스 누출에 따른 사고의 사전 예방 차원에서 필요하나, 상기 탄화 수소 연료를 연료 전지의 연료로 사용할 경우, 미량의 부취제로도 개질 반응용 촉매에 심각한 피독 현상을 야기시키기 때문에 개질 반응 전단계에서 이를 제거하여야 한다.
본 발명의 목적은 탈황 효율을 개선하여 탈황재의 부피를 저감하고 비용을 절감한 연료 전지용 탈황 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 탈황 장치를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면 연료에 포함되어 있는 수분을 선택적으로 흡수하는 탈습부; 및 상기 탈습부를 통과한 연료에 포함되어 있는 황 화합물을 흡수하는 탈황부를 포함하는 연료 전지용 탈황 장치를 제공한다.
상기 탈습부와 탈황부는 1 : 10 내지 5 : 3의 부피비로 형성되는 것이 바람직하고, 1 : 5 내지 5 : 5의 부피비로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 탈습부는 드라이에라이트(drierite), A형 제올라이트(zeolite), 실리카 겔(silica gel), 분자체(molecular sieve) 3A, 분자체 4A, 분자체 5A, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 탈황재를 포함한다.
상기 탈습재는 기공 크기가 0.5nm 이하인 것이 바람직하고, 0.1 내지 0.4nm인 것이 더욱 바람직하다.
상기 탈황부는 소수성 제올라이트에 Ag, Cu, Zn, Fe, Co, 또는 Ni를 담지시킨 탈황재; Y형 제올라이트, β형 제올라이트, 또는 X형 제올라이트에 Ag 또는 Cu를 담지시킨 탈황재; 분자체 13X; 구리-아연계 탈황재; 다공질 담체에 구리를 담지시킨 탈황재; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 탈황재를 포함한다.
상기 탈황재는 기공 크기가 0.5nm 이상인 것이 바람직하고, 0.5 내지 1.0nm인 것이 더욱 바람직하다.
상기 연료는 탄화 수소 연료인 것이 바람직하고, 상기 탄화 수소 연료는 천연 가스, 도시 가스, 액화 석유 가스(LPG), 나프타, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
상기 황 화합물은 머캅탄(mercaptan), 티오펜(thiophene), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부; 및 연료에 포함되어 있는 수분을 선택적으로 흡수하는 탈습부, 및 상기 탈습부를 통과한 연료에 포함되어 있는 황 화합물을 흡수하는 탈황부를 포함하는 탈황 장치를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 연료는 연료 공급부로부터 상기 탈황 장치를 통과한 후 상기 전기 발생 부로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 연료 전지 시스템은 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기를 더 포함할 수 있고, 이 경우 상기 연료는 연료 공급부로부터 탈황 장치를 통과한 후 상기 개질기로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 탈습부와 탈황부는 1 : 10 내지 5 : 3의 부피비로 형성되는 것이 바람직하고, 1 : 5 내지 5 : 5의 부피비로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 탈습부는 드라이에라이트(drierite), A형 제올라이트(zeolite), 실리카 겔(silica gel), 분자체 3A, 분자체 4A, 분자체 5A, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 탈습재를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 탈습재는 기공 크기가 0.5nm 이하인 것이 바람직하고, 0.1 내지 0.4nm인 것이 더욱 바람직하다.
상기 탈황부는 소수성 제올라이트에 Ag, Cu, Zn, Fe, Co, 또는 Ni를 담지시킨 탈황재; Y형 제올라이트, β형 제올라이트, 또는 X형 제올라이트에 Ag 또는 Cu를 담지시킨 탈황재; 분자체 13X; 구리-아연계 탈황재; 다공질 담체에 구리를 담지시킨 탈황재; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 탈황재를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 탈황재는 기공 크기가 0.5nm 이상인 것이 바람직하고, 0.5 내지 1.0nm인 것이 더욱 바람직하다.
상기 연료는 탄화 수소 연료인 것이 바람직하고, 상기 탄화 수소 연료는 천연 가스, 도시 가스, 액화 석유 가스(LPG), 나프타, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
상기 황 화합물은 머캅탄, 티오펜, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 일 실시예에 따르면 연료에 포함되어 있는 수분을 선택적으로 흡수하는 탈습부; 및 상기 탈습부를 통과한 연료에 포함되어 있는 황 화합물을 흡수하는 탈황부를 포함하는 연료 전지용 탈황 장치를 제공한다.
상기 연료로 천연 가스, 도시 가스, 액화 석유 가스(LPG), 나프타 등의 미정제 연료를 사용하는 경우, 상기 미정제 연료는 자연적으로 발생하는 혼합 유기황 화합물, 또는 머캅탄, 및 티오펜과 같은 부취제로서 첨가된 황 화합물을 미량 포함하고 있다. 상기 미량의 황 화합물의 존재하에서 발생하는 수소는 연료 전지에 사용하는 촉매를 피독시키는 등 모든 촉매에 악영향을 준다. 따라서, 이러한 악영향을 억제하기 위하여 상기 연료 중의 황 화합물을 100ppm이하로 저감시킬 필요가 있다.
상기와 같은 필요에 의하여 기존의 연료 전지에서 사용되고 있는 탈황 장치는 탈황재를 포함하고 있는 단일 필터층이 연료내 황 화합물을 제거하는 형태로 되어 있다. 그러나, 연료내의 수분이 상기 탈황재에 경쟁적으로 흡착하여 황 화합물의 흡착 성능을 현저하게 떨어뜨리는 요인으로 작용하고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 장치는 연료가 탈황부로 공급되기 전에 수분을 선택적으로 흡수하는 탈습부를 통과하도록하여 수분을 선택적으로 제거함으로 써 탈황 성능이 개선된다.
상기 탈습부와 탈황부의 부피비는 연료 내에 포함되어 있는 수분과 황 화합물의 함량비와 탈습부의 성능에 따라 다양하게 결정될 수 있다. 즉, 연료에 수분과 황 화합물이 동일한 정도의 함량으로 포함되어 있는 경우, 탈습부와 탈황부는 동일한 정도의 부피비로 형성될 수 있다. 또한, 이 경우에도 탈습부의 성능이 우수하면 탈황부에 비하여 더 적은 부피로 형성될 수 있다.
현재 상용되는 연료의 성분과 탈습재의 성능이 탈황재의 성능에 비하여 우수한 것을 감안할 때, 상기 탈습부와 탈황부의 부피비는 1 : 10 내지 5 : 3인 것이 바람직하고, 1 : 5 내지 5 : 5인 것이 더욱 바람직하다. 즉, 상기 탈황장치는 탈습부와 탈황부가 1 : 10, 1 : 5, 2 : 5, 3 : 5, 4 : 5, 5 : 5, 5 : 4, 또는 5 : 3의 부피비로 형성되는 경우 모두 바람직하게 사용될 수 있다.
수분의 함량이 적을수록 연비가 좋은 양질의 연료이지만, 실제의 경우 수분은 황 화합물과 유사한 정도의 부피비로 혼합되어 있고, 탈습재의 성능이 탈황재의 성능에 비하여 약 10배 이상 우수한 점을 감안하여 상기 탈습부와 탈황부의 부피비를 정한 것이다.
상기 탈습부는 수분을 선택적으로 흡수하는 탈습재를 포함하는데, 상기 탈습재로는 기존에 사용되는 탈습재이면 어느 것이나 사용 가능하다. 상기 탈습재로는 특히, 드라이에라이트(drierite), A형 제올라이트(zeolite), 실리카 겔(silica gel), 3A, 4A, 5A 분자체(molecular sieve), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 탈습재는 기존에 잘 알려진 탈습 재이므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 탈습재의 기공 크기는 수분을 선택적으로 제거하기 위하여, 황 화합물의 분자 크기를 고려하여 다양하게 결정될 수 있다. 다만, 현재 주로 사용되는 부취제의 분자 크기를 고려할 때, 상기 탈습재는 기공 크기가 0.5nm 이하인 것이 바람직하고, 0.1 내지 0.4nm인 것이 더욱 바람직하다. 즉, 상기 탈습재는 기공 크기가 0.1nm, 0.2nm, 0.3nm, 0.4nm, 0.5nm인 경우에도 모두 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 탈습재의 기공 크기가 상기 범위 내에 있는 경우, 황 화합물에 대한 물리적 흡착력과 화학적 흡착력이 미미하여 수분을 더욱 선택적으로 흡수할 수 있어 바람직하다.
상기 탈황부는 황 화합물을 흡수하는 탈황재를 포함하는데, 상기 탈황재로는 기존에 사용되는 탈황재이면 어느 것이나 사용 가능하다. 상기 탈황재로는 특히, 소수성 제올라이트에 Ag, Cu, Zn, Fe, Co, 또는 Ni를 담지시킨 탈황재를 바람직하게 사용할 수 있고, Y형 제올라이트, β형 제올라이트, 또는 X형 제올라이트에 Ag 또는 Cu를 담지시킨 탈황재를 바람직하게 사용할 수 있으며, 분자체 13X, 구리-아연계 탈황재, 다공질 담체에 구리를 담지시킨 탈황재 등도 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 탈황재들은 기존에 잘 알려진 탈황재이므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 탈황재의 기공 크기는 황 화합물을 효율적으로 제거하기 위하여, 황 화합물의 분자 크기를 고려하여 다양하게 결정될 수 있다. 다만, 현재 주로 사용되는 부취제의 분자 크기를 고려할 때, 상기 탈황재는 기공 크기가 0.5nm 이상인 것 이 바람직하고, 0.5 내지 1.0nm인 것이 더욱 바람직하다. 즉, 상기 탈황재는 기공 크기가 0.5nm, 0.6nm, 0.7nm, 0.8nm, 0.9nm, 1.0nm인 경우에도 모두 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 탈황재의 기공 크기가 상기 범위내에 있을 때, 부취제로 주로 사용되는 머캅탄, 및 티오펜 등을 더욱 잘 흡수할 수 있어 바람직하고, 기공 크기가 너무 큰 경우, 물리흡착이 잘 일어나지 않으며 표면적이 저하되어 바람직하지 않다.
상기 연료는 탄화 수소 연료인 것이 바람직하고, 상기 탄화 수소 연료는 기존에 연료 전지용 탄화 수소 연료로 사용될 수 있는 것이면 어느 것이나 사용 가능하다. 상기 탄화 수소 연료가 천연 가스, 도시 가스, 액화 석유 가스(LPG), 나프타, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 경우, 자연적으로 발생하는 유기 황 화합물 또는 인위적으로 첨가된 부취제를 더욱 포함하고 있어 상기 탈황 장치를 적용하기에 보다 적합하다.
본 발명은 또한, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부; 및 연료에 포함되어 있는 수분을 선택적으로 흡수하는 탈습부, 및 상기 탈습부를 통과한 연료에 포함되어 있는 황 화합물을 흡수하는 탈황부를 포함하는 탈황 장치를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 연료는 연료 공급부로부터 상기 탈황 장치를 통과한 후 상기 전기 발생부로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 연료 전지 시스템은 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기를 더 포함할 수 있고, 이 경우 상기 연료는 연료 공급부로부터 탈황 장치를 통과한 후 상기 개질기로 공급되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 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 일 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 개략적인 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택(10)의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시한 탈황 장치(20)의 구조를 나타내 보인 단면도이다. 상기 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 개략적인 구조를 설명한다.
도 1을 참조하면, 상기 연료 전지 시스템(100) 은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 이 수소의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.
상기 연료 전지 시스템(100)에 있어 산화제는 별도의 저장 공간에 저장된 산소 또는 산소를 포함하는 공기가 가능하다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 개질기(30)를 통해 개질된 개질 가스와 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생 부(11)와, 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급부(50)와, 상기 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 이 수소를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(30)와, 상기 개질기(30)와 전기 발생부(11)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(70)와 상기 연료에 포함되어 있는 황 화합물을 흡수하는 탈황 장치(20)를 포함하여 구성된다. 상기 전기 발생부(11)를 적층하여 스택(10)을 구성한다.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작동시, 개질기(30)로 부터 발생되는 수소를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하고, 산화제를 상기 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 이 스택(10)에서는 수소의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 기설정된 출력량의 전기 에너지와 물 그리고 열을 발생시킨다.
상기 개질기(30)는 수소를 함유한 연료로부터 수소를 발생시키고, 이 수소를 스택(10)으로 공급하는 구조로 이루어진다. 상기 개질기(30)는 수증기 개질(Steam Reforming: SR), 자열 개질 반응(Autothermal Reforming: ATR), 또는 부분 산화 반응(Partial Oxidation: POX)에 의하여 상기 연료로부터 수소를 발생시키고, 상기 수소를 스택(10)으로 공급한다. 또한, 상기 개질기(30)는 일산화탄소를 선택적으로 산화시키는 일산화탄소 저감부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
상기 개질기(30)로 연료를 공급하는 연료 공급부(50)은 연료를 저장하는 연료 탱크(51)와, 이 연료 탱크(51)에 연결 설치되어 상기 연료 탱크(51)로부터 연료를 배출시키는 연료 펌프(53)를 포함한다.
그리고 산화제 공급부(70)는 소정 펌핑력으로 산화제를 흡입하여 이 산화제를 스택(10)의 전기 발생부(11) 및 상기 개질기(30)로 각각 공급하는 산화제 펌 프(71)를 포함한다. 상기 산화제 공급부(70)은 도 1에서와 같이, 단일의 산화제 펌프(71)를 통해 스택(10)과 개질기(30)로 산화제를 공급하는 구조로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 스택(10) 및 개질기(30)와 각각 연결 설치되는 한 쌍의 산화제 펌프를 구비할 수도 있다.
도 2를 참조하면, 상기 스택(10)은 전기 발생부(11)를 적층하여 구성한다. 상기 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly; MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator, 또는 바이폴라 플레이트라고 한다)(16)를 배치하여 최소 단위의 연료전지(fuel cell)를 형성한다.
여기서 상기 막-전극 어셈블리(12)는 수소와 산화제의 전기 화학 반응을 일으키는 소정 면적의 활성 영역을 가지면서 일면에 애노드 전극, 다른 일면에 캐소드 전극을 구비하고, 두 전극 사이에 전해질막을 구비하는 구조로 이루어져 있다.
여기서 상기 애노드 전극은 수소를 산화 반응시켜 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하고, 캐소드 전극은 상기 수소 이온과 산화제를 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 또한 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다. 그리고 세퍼레이터(16)는 막-전극 어셈블리(12)의 양측에 수소와 산화제를 공급하는 기능 이외에, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능도 하게 된다.
도 3을 참조하면, 상기 탈황 장치(20)는 소정의 연료 유입구(21)와 연료 유출구(22)를 구비한 관형 반응기(29)로 구성될 수 있다. 상기 탈황 장치(20)는 연 료에 포함되어 있는 수분을 선택적으로 흡수하는 탈습재(24)를 포함하는 탈습부(23) 및 연료에 포함되어 있는 황 화합물을 흡수하는 탈황재(26)을 포함하는 탈황부(25)를 포함한다. 또한, 상기 탈황 장치(20)는 상기 연료 유입구(21) 또는 연료 유출구(22)에 필터(27, 28)를 위치시킬 수 있다. 상기 필터(27, 28)는 탈습재(24) 또는 탈황재(26)의 유실 방지를 위하여 설치된 것으로 메쉬(mesh) 형태인 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 연료 유입구(21)는 연료 공급부(50)와 연결 설치되고, 상기 연료 유출구(22)는 개질기(30)와 연결 설치될 수 있다. 또한, 상기 탈습부(23)는 상기 연료 유입구(21)로부터 상기 관형 반응기(29) 내부 공간의 일부분을 차지하도록 형성되고, 상기 탈황부(25)는 상기 탈습부(23)로부터 상기 연료 유출구(22)까지 상기 관형 반응기(29) 내부 공간의 일부분을 차지하도록 형성된다.
따라서, 상기 연료는 상기 연료 유입구(21)로부터 상기 관형 반응기(29)에 유입되고, 상기 탈습부(23)를 통과한 후, 상기 탈황부(25)를 통과하고 연료 유출구(22)를 통하여 관형 반응기(29)로부터 유출된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(상용 액화 석유 가스의 황 화합물 분석)
상용 액화 석유 가스에 포함되어 있는 황 화합물의 종류와 함량을 가스 크로마토그래피(gas chromatography; GC)를 이용하여 측정하였다. 그 결과를 도 4에 나 타내었다.
도 4를 참조하면, 디메틸설파이드(dimethylsulfide), t-부틸머캅탄(t-butylmercaptan), 및 테트라하이드로티오펜(tetrahydrothiophene)의 황 화합물이 검출되었으며, 그 함량은 약 50ppm 정도로 측정되었다.
(탈황 장치의 제조 및 성능 평가)
(비교예 1)
반응기에 분자체 4A(UOP사 제품)를 충전하고, 상용 액화 석유 가스를 흘려 주었다. 상기 반응기 내에서 황 화합물의 포화 흡착 거동을 황 화학발광 검출기(sulfur chemiluminescence detector; SCD)를 이용하여 관찰하였다.
(비교예 2)
반응기에 분자체 13X(UOP사 제품)를 충전한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하여 황 화합물의 포화 흡착 거동을 관찰하였다.
(실시예 1)
반응기에 분자체 4A와 분자체 13X를 5 : 5의 부피비로 충전하고, 상용 액화 석유 가스를 분자체 4A와 분자체 13X를 순차적으로 지나도록 흘려준 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하여 황 화합물의 포화 흡착 거동을 관찰하였다.
(실시예 2)
상기 분자체 4A와 분자체 13X를 4 : 5의 부피비로 충전한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 황 화합물의 포화 흡착 거동을 관찰하였다.
(실시예 3)
상기 분자체 4A와 분자체 13X를 3 : 5의 부피비로 충전한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 황 화합물의 포화 흡착 거동을 관찰하였다.
(실시예 4)
상기 분자체 4A와 분자체 13X를 2 : 5의 부피비로 충전한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 황 화합물의 포화 흡착 거동을 관찰하였다.
(실시예 5)
상기 분자체 4A와 분자체 13X를 1 : 5의 부피비로 충전한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 황 화합물의 포화 흡착 거동을 관찰하였다.
(실시예 6)
상기 분자체 4A와 분자체 13X를 1 : 10의 부피비로 충전한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 황 화합물의 포화 흡착 거동을 관찰하였다.
(실시예 7)
상기 분자체 4A와 분자체 13X를 5 : 4의 부피비로 충전한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 황 화합물의 포화 흡착 거동을 관찰하였다.
(실시예 8)
상기 분자체 4A와 분자체 13X를 5 : 3의 부피비로 충전한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 황 화합물의 포화 흡착 거동을 관찰하였다.
상기 비교예 1, 2, 및 실시예 1에서 제조한 탈황 장치를 황 화학발광 검출기(sulfur chemiluminescence detector; SCD)를 이용하여 황 화합물의 포화 흡착 거동을 관찰한 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 비교예 1의 탈황 장치의 경우, 1.5 시간을 경과하면서 황 화합물의 포화 거동이 관찰되었다. 이와 같은 거동은 흡착재의 작은 기공크기에 기인하는 것으로 판단된다. 즉, 황 화합물의 분자 크기가 흡착재의 기공 크기보다 큰 관계로 흡착이 어렵기 때문인 것으로 판단된다.
비교예 2의 탈황 장치의 경우, 비교예 1의 경우와는 달리 20 시간을 경과하면서 포화 거동이 관찰되었다. 이는 수분이 황 화합물과 경쟁적으로 흡착재에 흡착하였기 때문인 것으로 판단된다.
실시예 1의 탈황 장치의 경우, 비교예 1의 경우에 비하여 흡착 성능이 2배 이상 향상되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 절대량 기준으로 5배 이상에 해당하는 결과이다. 이는 분자체 4A에 의하여 수분이 선택적으로 흡착되어 제거되고, 분자체 13X에 의하여 황 화합물이 흡착되었기 때문인 것으로 판단된다.
실시예 2 내지 8의 탈황 장치의 경우에도, 실시예 1의 탈황 장치와 유사한 정도의 황 화합물의 포화 흡착 거동을 나타냄을 확인하였다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 탈황 장치는 수분을 선택적으로 흡수하는 탈습부를 더 포함함으로써, 탈황 효율이 개선된다. 따라서, 탈황재의 부피를 저감할 수 있고, 이에 따라 비용을 절감할 수 있다.

Claims (26)

  1. 연료에 포함되어 있는 수분을 선택적으로 흡수하는 탈습부; 및
    상기 탈습부를 통과한 연료에 포함되어 있는 황 화합물을 흡수하는 탈황부
    를 포함하는 연료 전지용 탈황 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탈습부와 탈황부는 1 : 10 내지 5 : 3의 부피비로 형성되는 것인 연료 전지용 탈황 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탈습부와 탈황부는 1 : 5 내지 5 : 5의 부피비로 형성되는 것인 연료 전지용 탈황 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탈습부는 드라이에라이트(drierite), A형 제올라이트(zeolite), 실리카 겔(silica gel), 분자체(molecular sieve) 3A, 분자체 4A, 분자체 5A, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 탈습재를 포함하는 것인 연료 전지용 탈황 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탈습재는 기공 크기가 0.5nm 이하인 것인 연료 전지용 탈황 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탈습재는 기공 크기가 0.1 내지 0.4nm인 것인 연료 전지용 탈황 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탈황부는 소수성 제올라이트에 Ag, Cu, Zn, Fe, Co, 또는 Ni를 담지시킨 탈황재; Y형 제올라이트, β형 제올라이트, 또는 X형 제올라이트에 Ag 또는 Cu를 담지시킨 탈황재; 분자체 13X; 구리-아연계 탈황재; 다공질 담체에 구리를 담지시킨 탈황재; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 탈황재를 포함하는 것인 연료 전지용 탈황 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탈황재는 기공 크기가 0.5nm 이상인 것인 연료 전지용 탈황 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탈황재는 기공 크기가 0.5 내지 1.0nm인 것인 연료 전지용 탈황 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연료는 탄화 수소 연료인 것인 연료 전지용 탈황 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 탄화 수소 연료는 천연 가스, 도시 가스, 액화 석유 가스(LPG), 나프타, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 탈황 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 황 화합물은 머캅탄(mercaptan), 티오펜(thiophene), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 탈황 장치.
  13. 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부;
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부; 및
    연료에 포함되어 있는 수분을 선택적으로 흡수하는 탈습부, 및 상기 탈습부를 통과한 연료에 포함되어 있는 황 화합물을 흡수하는 탈황부를 포함하는 탈황 장치를 포함하는 연료 전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 연료는 연료 공급부로부터 상기 탈황 장치를 통과한 후 상기 전기 발생 부로 공급되는 것인 연료 전지 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기를 더 포함하며, 상기 연료는 연료 공급부로부터 탈황 장치를 통과한 후 상기 개질기로 공급되는 것인 연료 전지 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 탈습부와 탈황부는 1 : 10 내지 5 : 3의 부피비로 형성되는 것인 연료 전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 탈습부와 탈황부는 1 : 5 내지 5 : 5의 부피비로 형성되는 것인 연료 전지 시스템.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 탈습부는 드라이에라이트(drierite), A형 제올라이트(zeolite), 실리카 겔(silica gel), 분자체 3A, 분자체 4A, 분자체 5A, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 탈습재를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 탈습재는 기공 크기가 0.5nm 이하인 것인 연료 전지 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 탈습재는 기공 크기가 0.1 내지 0.4nm인 것인 연료 전지 시스템.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 탈황부는 소수성 제올라이트에 Ag, Cu, Zn, Fe, Co, 또는 Ni를 담지시킨 탈황재; Y형 제올라이트, β형 제올라이트, 또는 X형 제올라이트에 Ag 또는 Cu를 담지시킨 탈황재; 분자체 13X; 구리-아연계 탈황재; 다공질 담체에 구리를 담지시킨 탈황재; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 탈황재를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 탈황재는 기공 크기가 0.5nm 이상인 것인 연료 전지 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 탈황재는 기공 크기가 0.5 내지 1.0nm인 것인 연료 전지 시스템.
  24. 제13항에 있어서,
    상기 연료는 탄화 수소 연료인 것인 연료 전지 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 탄화 수소 연료는 천연 가스, 도시 가스, 액화 석유 가스(LPG), 나프타, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.
  26. 제13항에 있어서,
    상기 황 화합물은 머캅탄, 티오펜, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.
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