KR20090021631A - 쉬프트 반응기의 워밍업 구조가 개선된 연료처리기 및 그운영방법 - Google Patents

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이두환
이강희
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삼성전자주식회사
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Abstract

연료전지 시스템에 있어서, 쉬프트 반응기의 워밍업 구조가 개선된 연료처리기 및 그 운영방법이 개시된다. 개시된 연료처리기는, 쉬프트 반응기의 온도를 신속하게 높이기 위한 연소 반응기를 구비하는데, 상기 연소반응기는 쉬프트 반응기의 외주면에 접촉하여 설치되고, 내부에 형성된 가스유로를 따라 연소촉매가 배치되어 있다. 이러한 연료처리기를 운영하게 되면, 초기 기동시 연소 반응기에 배치된 연소촉매의 발열반응을 이용하여 상기 연소 반응기에 접촉된 쉬프트 반응기의 급속 가열이 가능하므로, 연료처리기의 정상 가동까지 걸리는 워밍업 시간을 대폭 단축할 수 있다.

Description

쉬프트 반응기의 워밍업 구조가 개선된 연료처리기 및 그 운영방법{Fuel processor providing improved warming up structure for SHIFT reactor and managing method thereof}
본 발명은 연료전지에 공급되는 연료를 사용에 적합하도록 개질하는 연료처리기에 관한 것으로서, 특히 쉬프트 반응기의 워밍업 구조가 개선된 연료처리기 및 그 운영방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치이다. 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.
도 2는 연료전지의 애노드에 수소를 공급하기 위한 연료처리기의 구조를 개략적으로 보인 것으로, 천연가스와 같은 탄화수소 계열 물질의 연료원으로부터 수 소를 추출하여 스택에 공급하게 된다.
이 연료처리기(10)의 세부 구성으로는 탈황기(11), 리포머(12), 리포머용 버너(13), 물 공급용 펌프(16), 열교환기(14a, 14b), 쉬프트 반응기(15a), 및 CO 제거기(15b) 등이 구비되어 있다.
탈황기(11)는 연료원으로 사용되는 탄화수소 계열 물질에 부취제로서 사용되는 황성분이 연료처리기(10) 및 스택에 사용되는 백금 계열 촉매에 촉매독으로서 작용하기 때문에 이를 제거하기 위한 장치이고, 리포머(12)는 탈황된 연료원으로부터 수소를 추출하는 장치이다. 연료처리기(10)가 스택에 제공하는 수소는 리포머(12)에 의하여 탈황된 연료원으로부터 추출된다.
그러나, 리포머(12)를 통하여 생성된 가스에는 연료처리기(10) 및 스택에 사용되는 백금 계열 촉매의 효율을 떨어뜨리는 일산화탄소가 다량 포함되어 있으므로 쉬프트 반응기(15a) 및 CO 제거기(15b)를 통하여 일산화탄소 함량을 10ppm까지 낮춘 다음 스택에 제공한다.
그런데, 연료처리기(10)를 처음에 가동시킬 때에는, 리포머(12)나 쉬프트 반응기(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 쉬프트 반응기(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, 쉬프트 반응기(15a)는 리포머(12)에서 가열된 연료가 들어가면서 간접적으로 가열이 되며 온도가 상승하기 때문에, 정상작동 온도에 도달 하기까지 시간이 많이 소요된다. 통상 리포머(12)의 정상 작동 온도를 700℃ 정도로 보고, 쉬프트 반응기(15a)의 정상작동 온도를 200℃ 정도로 보는데, 리포머(12)가 처음 스타트하여 700℃에 도달할 때까지는 약 20분 정도밖에 걸리지 않지만, 쉬프트 반응기(15a)가 200℃에 도달할 때까지는 약 1시간 정도가 걸리는 것으로 측정되고 있다. 따라서, 아무리 리포머(12)가 빨리 정상 상태에 도달한다 하더라도, 쉬프트 반응기(15a)가 정상 상태에 도달할 때까지는 연료처리기(10)가 정상 가동되지 못하고 대기해야 하는 문제가 있다. 다시 말하면, 연료처리기(10)를 처음에 스타트하고 20분 정도면 리포머(12)에서 정상적으로 수소 연료를 생산하게 되지만, 그 안에 함유된 CO 성분을 쉬프트 반응기(15a) 통과 후 5,000ppm 이하로 낮추려면 1시간은 기다려야 하는 것이다.
따라서, 연료처리기(10)의 스타트 후 정상 가동 시까지 걸리는 시간을 단축하려면, 특히 쉬프트 반응기(15a)에 대한 보다 빠른 초기 가열 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 쉬프트 반응기의 초기 가열 시간을 단축할 수 있도록 워밍업 구조가 개선된 연료처리기 및 그것을 운영하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 연료처리 기는, 탄화수소 연료원을 물과 반응시켜서 수소가스를 추출해내는 리포머, 상기 리포머에서 배출되는 리포머가스 중의 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소로 변환시키는 쉬프트 반응기, 상기 쉬프트 반응기의 외주면에 접촉하여 설치되고, 내부에 형성된 가스유로를 따라 연소촉매가 배치되어 있는 연소 반응기, 상기 쉬프트 반응기에서 배출되는 쉬프트가스 중의 일산화탄소를 산소 또는 수소와 반응시켜 제거하는 CO 제거기, 및 상기 쉬프트 반응기, 연소 반응기 및 CO 제거기에 선택적으로 에어를 공급하는 에어 공급 유닛을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 연료처리기는 상기 에어 공급 유닛으로부터 연소 반응기로의 산소 공급량을 조절하기 위한 제1 밸브, 및 상기 리포머에서 배출되는 리포머가스가 쉬프트 반응기 또는 연소 반응기 중어느 하나 이상에 공급되도록 리포머가스 공급을 조절하기 위한 제2 밸브를 더 포함할 수 있으며, 상기 쉬프트 반응기에서 배출되는 쉬프트가스가 CO 제거기 또는 연소 반응기중 어느 하나 이상으로 공급되도록 쉬프트가스 공급량을 조절하기 위한 제3 밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료처리기에 있어서 연소 반응기의 연소 촉매로는 Pt, Pd, Ru, Au 및 상기 금속의 산화물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료처리기 운영방법은, 리포머에 탄화수소 연료원과 물을 제공한 다음, 리포머에서 배출되는 리포머가스를 에어와 함께 쉬프트 반응기가 정상 작동 온도가 되기 전까지 연소 반응기에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 쉬프트 반응기 가 정상 작동 온도 이상이 되면 에어만을 연소 반응기에 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료처리기 운영방법은, 리포머에 탄화수소 연료원과 물을 제공한 다음, 리포머에서 배출되는 리포머가스를 에어와 함께쉬프트 반응기가 작동 가능 온도가 되기 전까지 연소 반응기에 제공하며, 쉬프트 반응기가 작동 가능 온도 이상이 되면, 리포머가스와 에어를 연소 반응기에 제공하는 것을 중단하고, 상기 리포머가스를 쉬프트 반응기에 제공하다가, 쉬프트 반응기에서 배출되는 쉬프트가스를 에어와 함께 쉬프트 반응기가 정상 작동 가능 온도가 되기 전까지 연소 반응기에 제공하는 것을 특징으로 한다. 이때, 쉬프트 반응기가 정상 작동 가능 온도 이상이 되면 에어만을 연소 반응기에 제공하는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 연료처리기는 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 연료전지 기동시에 높은 연소반응열이 발생하는 연소 반응기가 쉬프트반응기의 외주면체 접촉하여 설치되어 있어서 쉬프트 반응기의 급속 가열이 가능하므로, 연료처리기의 정상 가동까지 걸리는 시간을 대폭 단축할 수 있다.
둘째, 쉬프트 반응기에 열을 전달하기 위한 연소 반응기가 쉬프트 반응기와 구별되는 별도의 장치로서 쉬프트 반응기의 외주면에 접촉하여 설치되어 있기 때문에, 발열반응이 진행되는 동안 연소 반응기의 부산물이 쉬프트 반응기의 촉매 시스템에 영향을 미치지 않는다.
셋째, 초기 스타트 시의 대기 시간이 단축되기 때문에, 예컨대 정비 등의 사유로 연료처리기의 가동을 정지시키더라도 재가동에 대한 부담이 줄어들게 된다.
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 자신의 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 연료처리기(100)의 구조를 블록도로 도시한 것인데, 천연가스와 같은 탄화수소 계열 물질의 연료원으로부터 수소를 추출하여 스택(미도시)에 공급하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료처리기(100)는 기본적으로 리포머(110), 쉬프트 반응기(120), 연소반응기(130), CO 제거기(140), 에어 공급 유닛(150), 제1밸브(160) 및 제2밸브(170) 등을 포함하는 구조로 이루어져 있다. 상기 도3에는 도시하지 않았으나 천연가스와 같은 연료원에 포함되어 있는 부취재인 황성분을 제거하기 위한 탈황기를 더 구비할 수 있다.
상기한 수소 추출과정은 상기 리포머(110)에서 진행된다. 즉, 상기 리포머(110)는 연료원으로 공급된 탄화수소 계열의 가스에 수증기와 열을 가함으로써, 하기의 화학식 1과 같은 반응을 통해 수소를 생성하게 된다.
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
이러한 반응을 통하여 상기 리포머(110)는 상기 화학식1에 기재된 CO2 및 H2가 생성물로 배출되고 부가적으로, CO 및 H2O도 생성되는데, 이와 같이 리포머(110)가 동작하면서 생성되는 가스를 리포머 가스(reformate gas)라고 한다.
쉬프트 반응기(120)는 상기 리포머(110)에서 배출되는 리포머가스 중에서 스택에 공급되면 전극이 피독되어 연료전지의 성능을 급격히 떨어뜨릴 수 있는 일산화탄소의 농도를 줄이기 위한 장치로서, 하기의 화학식 2와 같은 반응을 통해 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소로 변환시킨다.
CO + H2O → CO2 + H2
이와 같이 쉬프트 반응기(120)가 동작하면서 생성되는 가스를 쉬프트 가스라고 하는데, 상기 쉬프트 반응기(120)가 정상 작동 온도일 때 상기 쉬프트 가스에는 일산화탄소 함량이 5,000ppm 이하 수준이 된다. 본 발명에 적용할 수 있는 바람직한 실시예에서 쉬프트 반응기(120)의 정상 작동 온도는 200℃~300℃이다.
연소 반응기(130)는 상기 쉬프트 반응기(120)의 외주면에 접촉하여 설치되어 있고, 내부에는 가스유로가 형성되어 있으며, 이 가스유로를 따라서 연소촉매(131)가 배치되어 있다. 본 발명에 적용될 수 있는 실시예에서 상기 연소 반응기의 연소 촉매(131)로는 리포머 가스를 산소와 반응시켜 급격하게 열을 발생시키는 연소반응을 촉진시킬 수 있는 촉매라면 제한 없이 사용될 수 있다. 본 발명에 적용될 수 있는 연소 반응기용 촉매(131)로는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 금(Au) 및 상기 금속의 산화물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 적용될 수 있는 연소 반응기(130)는 연소 반응기(130)의 연소 반응열이 쉬프트 반응기(120)에 전달될 수 있도록 쉬프트 반응기(120)의 외주면에 접촉하여 설치될 수 만 있다면 그 형상에 제한은 없다. 본 발명에 적용될 수 있는 연소 반응기의 바람직한 설치 예를 도4a 및 도4b에 나타내었다. 상기 도4a 및 도4b에 도시된 바와 같이 연소 반응기는 쉬프트 반응기(120)의 외주면을 감싸는 원통형(130a) 또는 튜브형(130b) 형상으로 설치될 수 있다. 이는 연소 반응기 내부의 연소 반응을 통하여 발생된 열을 짧은 시간에 효율적으로 쉬프트 반응기(120)로 전달하기 위함이다.
CO 제거기(140)는 최종적으로 스텍에 제공되는 가스의 일산화탄소 함량을 10ppm 아래로 떨어뜨리기 위한 장치로서 하기의 화학식 3 또는 4와 같은 반응을 일으키며 일산화탄소를 산소 또는 수소와 반응시킨다.
CO + ½O2 → CO2
CO + 3H2 → CH4 + H2O
이때, 상기 화학식 3과 같은 선택적 산화 반응(preferential oxidation, PROX)에 필요한 산소는 에어 공급 유닛(150)으로부터 제공받는다.
제1밸브(160)는 에어 공급 유닛(150)으로부터 연소 반응기(130)나 CO 제거기(140)로의 산소 공급량을 조절하기 위한 밸브이고, 제2밸브(170)는 리포머(110)에서 배출되는 리포머가스가 쉬프트 반응기(120)나 연소 반응기(130)로 공급되도록 리포머가스 공급량을 조절하기 위한 밸브이다.
제1밸브(160)로부터 CO 제거기(140)로 제공되는 에어는 상기의 화학식 3과 같은 반응을 통해 일산화탄소로 이산화탄소를 전환시켜 일산화탄소의 농도를 낮추는데 사용된다. 즉, 상기 제1밸브(160)는 상기 에어 공급 유닛(150)으로부터 상기 CO 제거기(140)로 공급되는 에어의 양을 조절한다.
또한, 상기 제1밸브(160)는 연소 반응기(130)가 리포머 가스의 연소반응을 통하여 급격하게 열을 발생시킬 수 있도록 상기 연소 반응기(130)에도 에어를 공급한다. 이때, 본 발명에 적용될 수 있는 실시예에서 상기 제1 밸브(160)는 쉬프트 반응기(120)의 온도가 정상 작동 온도가 될 때까지 상기 에어 공급 유닛(150)으로부터 연소 반응기(130)로의 산소 공급량이 하기 식1을 만족하도록 조절하는 것이 바람직하다. .
[식 1]
0.1 < 산소의 부피/(수소의 부피 + 일산화탄소의 부피) < 2
이는 상기 연소 반응기(130)가 리포머(110)로부터 연소 반응기(130)로 제공되는 리포머가스를 보다 효율적으로 연소시키기 위함이다.
상기 제2밸브(170)는 연소 반응기(130)가 상기 에어 공급 유닛(150)으로부터 제공받은 에어와 연소반응을 통하여 급격하게 열을 발생시킬 수 있도록 상기 리포머(110)가 동작하면서 생성된 리포머가스를 상기 연소 반응기(130)에 공급한다.
이때, 본 발명에 적용될 수 있는 실시예에서 상기 제2밸브(170)는 쉬프트 반응기(120)의 온도가 쉬프트 반응기(120)의 정상 작동 온도가 될 때까지만 상기 연소 반응기(130)에 리포머가스를 공급하는 것이 바람직하다. 쉬프트 반응기(120)의 온도가 정상 작동 온도를 넘게 되면 상기 제2밸브(170)는 리포머가스를 쉬프트 반응기(120)로 공급하게 되고, 리포머가스를 제공받은 쉬프트 반응기(120)는 상기의 화학식 2와 같은 반응을 일으키며 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소로 변환시킨다.
본 발명에 적용할 수 있는 바람직한 실시예에서 쉬프트 반응기(120)의 정상 작동 온도는 200℃~300℃이다.
쉬프트 반응기(120)의 온도가 정상 작동 온도를 넘어섰음에도 불구하고 계속해서 연소 반응기(130)에 리포머가스를 공급하게 되면, 연소 반응기(130) 내부의 연소반응이 계속하여 진행됨에 따라 발생하는 열이 쉬프트 반응기(120)의 온도가 계속 상승하게 되면서 쉬프트 반응기(120) 내부의 촉매가 열화되어 버리기 때문에 바람직하지 않다.
쉬프트 반응기(120)의 온도가 정상 작동 온도를 넘어 연소 반응기(130)에 리포머가스가 공급되지 않게 되면, 에어 공급 유닛(150)으로부터 제공받는 상온의 에어에 의하여 상기 연소 반응기(130)의 온도가 낮아지게 되고, 이를 통해 쉬프트 반응기(120)의 온도가 급격히 상승하게 되는 것을 방지하게 된다.
도 5 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료처리기(100)의 구조를 블록도로 도시한 것인데, 기본적인 구조는 도 3에 도시한 구조와 마찬가지로 리포머(110), 쉬프트 반응기(120), 연소반응기(130), CO 제거기(140), 에어 공급 유닛(150), 제1밸브(160) 및 제2밸브(170) 등을 포함하는 구조로 이루어져 있다. 상기 도5에는 도시하지 않았으나 천연가스와 같은 연료원에 포함되어 있는 부취재의 황성분을 제거하기 위한 탈황기를 더 포함할 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예는 상기 쉬프트 반응기(120)에서 배출되는 쉬프트가스가 CO 제거기(140)나 연소 반응기(130)에 제공될 수 있도록 그 공급량을 조절하기 위한 제3 밸브(180)를 추가로 구비하고 있다.
상기한 수소 추출과정은 상기 리포머(110)에서 진행된다. 즉, 상기 리포머(110)는 연료원으로 들어온 탄화수소 계열의 가스에 수증기와 열을 가함으로써, 상기의 화학식 1과 같은 반응을 통해 수소를 생성하게 된다.
쉬프트 반응기(120)는 상기의 화학식 2와 같은 반응을 통해 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소로 변환시킨다.
연소 반응기(130)는 연소 반응기(130)의 연소 반응열이 쉬프트 반응기(120)에 전달될 수 있도록 상기 쉬프트 반응기(120)의 외주면에 접촉하여 설치되어 있 고, 내부에는 가스유로가 형성되어 있으며, 이 가스유로를 따라서 연소촉매(131)가 배치되어 있다. 본 발명에 적용될 수 있는 실시예에서 상기 연소 반응기의 연소 촉매(131)로는 리포머 가스나 쉬프트 가스를 산소와 반응시켜 급격하게 열을 발생시키는 연소반응을 촉진시킬 수 있는 촉매라면 제한 없이 사용될 수 있다. 본 발명에 적용될 수 있는 연소 반응기용 촉매(131)로는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 금(Au) 및 상기 금속의 산화물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 적용될 수 있는 연소 반응기(130)는 연소 반응기(120)의 연소 반응열이 쉬프트 반응기(120)에 전달될 수 있도록 쉬프트 반응기(120)의 외주면에 접촉하여 설치될 수 만 있다면 그 형상에 제한은 없다. 본 발명에 적용될 수 있는 연소 반응기의 바람직한 설치 예를 도4a 및 도4b에 나타내었다. 상기 도4a 및 도4b에 도시된 바와 같이 연소 반응기는 쉬프트 반응기(120)의 외주면을 감싸는 원통형(130a) 또는 튜브형(130b) 형상으로 설치될 수 있다. 이는 연소 반응기 내부의 연소 반응을 통하여 발생된 열을 짧은 시간에 효율적으로 쉬프트 반응기(120)로 전달하기 위함이다.
CO 제거기(140)는 최종적으로 스텍에 제공되는 가스의 일산화탄소 함량을 10ppm 아래로 떨어뜨리기 위한 장치로서 상기의 화학식 3 또는 4와 같은 반응을 일으키며 일산화탄소를 산소 또는 수소와 반응시킨다.
이때, 상기 화학식 3과 같은 선택적 산화 반응(preferential oxidation, PROX)에 필요한 산소는 에어 공급 유닛(150)으로부터 제공받는다.
제1밸브(160)는 에어 공급 유닛(150)으로부터 연소 반응기(130)나 CO 제거기(140)로의 산소 공급량을 조절하기 위한 밸브이고, 제2밸브(170)는 리포머(110)에서 배출되는 리포머가스가 쉬프트 반응기(120)나 연소 반응기(130)로 공급되도록 리포머가스 공급량을 조절하기 위한 밸브이며, 제3밸브(180)는 쉬프트 반응기(120)에서 배출되는 쉬프트가스가 CO 제거기(140)나 연소 반응기(130)로 공급되도록 쉬프트가스 공급량을 조절하기 위한 밸브이다.
제1밸브(160)로부터 CO 제거기(140)로 제공되는 에어는 상기의 화학식 3과 같은 반응을 통해 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시켜 일산화탄소의 농도를 낮추는데 사용된다. 즉, 상기 제1밸브(160)는, 상기 에어 공급 유닛(150)으로부터 상기 CO 제거기(140)로 공급되는 에어의 양을 조절한다.
또한, 상기 제1밸브(160)는 연소 반응기(130)가 리포머 가스가 연소반응을 통하여 급격하게 열을 발생시킬 수 있도록 상기 연소 반응기(130)에도 에어를 공급한다. 이때, 본 발명에 적용될 수 있는 실시예에서 상기 제1 밸브(160)는 쉬프트 반응기(120)의 온도가 정상 작동 온도가 될 때까지 상기 에어 공급 유닛(150)으로부터 연소 반응기(130)로의 산소 공급량이 상기 식1을 만족하도록 조절하는 것이 바람직하다.
이는 상기 연소 반응기(130)가 리포머(110)로부터 연소 반응기(130)로 제공되는 리포머가스를 보다 효율적으로 연소시키기 위함이다.
상기 제2밸브(170)는 연소 반응기(130)가 상기 에어 공급 유닛(150)으로부터 제공받은 에어와 연소반응을 통하여 급격하게 열을 발생시킬 수 있도록 상기 리포 머(110)가 동작하면서 생성된 리포머가스를 상기 연소 반응기(130)에 공급한다.
이때, 본 발명에 적용될 수 있는 실시예에서 상기 제2밸브(170)는 쉬프트 반응기(120)의 온도가 쉬프트 반응기(120)의 작동 가능 온도가 될 때까지만 상기 연소 반응기(130)에 리포머가스를 공급하는 것이 바람직하다. 쉬프트 반응기(120)의 온도가 작동 가능 온도보다 높아지게 되면 상기 제2밸브(170)는 리포머가스를 쉬프트 반응기(120)로 공급하게 되고, 리포머가스를 제공받은 쉬프트 반응기(120)는 상기의 화학식 2와 같은 반응을 일으키며 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소로 변환시킨다.
본 발명에 적용할 수 있는 바람직한 실시예에서 쉬프트 반응기(120)의 작동가능 온도는 쉬프트 반응기(120)에서 배출되는 쉬프트가스에 일산화탄소가 5,000ppm 이하인 정상 작동 온도와 구별되는 온도로서, 쉬프트 반응기(120) 내에서 상기 화학식 2의 반응이 진행될 수 있는 80℃~150℃의 온도를 의미한다. 이러한 작동 가능 온도에서 동작한 쉬프트 반응기(120)에서 배출되는 쉬프트가스에는 일산화탄소가 5,000ppm을 초과하여 존재한다.
상기 제3밸브(180)는 연소 반응기(130)가 상기 에어 공급 유닛(150)으로부터 제공받은 에어와 연소반응을 통하여 급격하게 열을 발생시킬 수 있도록 상기 쉬프트 반응기(120)가 동작하면서 생성된 쉬프트가스를 상기 연소 반응기(130)에 공급한다.
본 발명에 적용할 수 있는 실시예에서 상기 제3 밸브는 쉬프트 반응기(120)의 온도가 작동 가능 온도 이상이면, 상기 쉬프트 반응기(120)의 온도가 정상 작동 온도가 될 때까지 상기 쉬프트 반응기(120)에서 배출되는 쉬프트가스가 연소 반응기(130)로 공급되도록 조절한다. 이때, 상기 쉬프트 반응기(120)의 온도가 정상 작동 온도 이상이 되면, 연소 반응기(130)에 쉬프트가스 제공을 중단하고 쉬프트 반응기에서 배출되는 쉬프트 가스가 CO 제거기(140)로 공급되도록 쉬프트가스 공급을 조절한다.
쉬프트 반응기(120)의 온도가 정상 작동 온도를 넘어섰음에도 불구하고 계속해서 연소 반응기(130)에 쉬프트가스를 공급하게 되면, 연소 반응기(130) 내부의 연소반응이 계속하여 진행됨에 따라 발생하는 열이 쉬프트 반응기(120)의 온도가 계속 상승하게 되면서 쉬프트 반응기(120) 내부의 촉매가 열화되어 버리기 때문에 바람직하지 않다.
쉬프트 반응기(120)의 온도가 정상 작동 온도를 넘어 연소 반응기(130)에 쉬프트가스가 공급되지 않게 되면, 에어 공급 유닛(150)으로부터 제공받는 상온의 에어에 의하여 상기 연소 반응기(130)의 온도가 낮아지게 되고, 이를 통해 쉬프트 반응기(120)의 온도가 급격히 상승하게 되는 것을 방지하게 된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 연료처리기를 작동시키는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 연료원으로 들어온 탄화수소 계열의 가스와 수증기를 리포머에서 상기의 화학식 1에 기재된 반응을 통하여 수소를 생성한다(S100).
상기 S100단계를 통하여 리포머에서는 상기 화학식1의 생성물인 CO2 및 H2뿐만 아니라, 리포머가스로서 CO 및 H2O도 생성된다. 이렇게 리포머가스가 생성되고 나면, 쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도인지 여부를 확인한다(S105). 이때, 상기 정상 작동 온도란 쉬프트 반응기가 작동하면서 이 쉬프트 반응기에서 배출되는 쉬프트가스에 일산화탄소 농도가 5,000ppm 이하일 때의 쉬프트 반응기의 온도로서, 바람직하게는 200~300℃이다.
만일 상기 S105단계를 통하여 쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도보다 낮은 것으로 확인되면 리포머가스를 에어와 함께, 쉬프트 반응기의 외주면에 접촉하여 설치되어 있고, 내부에는 가스유로가 형성되어 있으며 이 가스유로를 따라서 연소촉매가 배치되어 있는 연소 반응기에 제공한다(S110).
본 발명에 적용할 수 있는 실시예에 있어서, 상기 S110단계에서 연소 반응기로의 산소 공급량은 상기 식1을 만족하도록 조절되는 것이 바람직하다. .
이는 상기 연소 반응기(130)가 리포머(110)로부터 연소 반응기(130)로 제공되는 리포머가스를 보다 효율적으로 연소시키기 위함이다.
만일 상기 S105단계를 통하여 쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도라면, 리포머가스를 쉬프트 반응기로 제공한다(S115).
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 연료처리기를 작동시키는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 연료원으로 들어온 탄화수소 계열의 가스와 수증기를 리포머에서 상기 의 화학식 1에 기재된 반응을 통하여 수소를 생성한다(S200).
상기 S200단계를 통하여 리포머에서는 상기 화학식1의 생성물인 CO2 및 H2뿐만 아니라, 리포머가스로서 CO 및 H2O도 생성된다. 이렇게 리포머가스가 생성되고 나면, 쉬프트 반응기의 온도가 작동 가능 온도인지 여부를 확인한다(S205). 본 발명에 적용할 수 있는 바람직한 실시예에서 쉬프트 반응기의 작동 가능 온도는 쉬프트 반응기에서 배출되는 쉬프트가스에 일산화탄소가 5,000ppm 이하인 정상 작동 온도와 구별되는 온도로서, 바람직하게는 쉬프트 반응기 내에서 상기 화학식 2의 반응이 진행될 수 있는 80℃~150℃의 온도를 의미한다. 이러한 작동 가능 온도에서 동작한 쉬프트 반응기에서 배출되는 쉬프트가스에는 일산화탄소가 5,000ppm을 초과하여 포함되어 있다.
만일 상기 S205단계를 통하여 쉬프트 반응기의 온도가 작동 가능 온도보다 낮은 것으로 확인되면 리포머가스를 에어와 함께, 쉬프트 반응기의 외주면에 접촉하여 설치되어 있고, 내부에는 가스유로가 형성되어 있으며 이 가스유로를 따라서 연소촉매가 배치되어 있는 연소 반응기에 제공한다(S210).
상기 S210단계에서 연소 반응기로의 산소 공급량은 상기 식1을 만족하도록 조절되는 것이 바람직하다.
이는 상기 연소 반응기(130)가 리포머(110)로부터 연소 반응기(130)로 제공되는 리포머가스를 보다 효율적으로 연소시키기 위함이다.
만일 상기 S205단계를 통하여 쉬프트 반응기의 온도가 작동 가능 온도보다 높다면, 리포머 가스를 쉬프트 반응기에 제공한 다음(S215), 쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도인지 여부를 확인한다(S220). 이때, 상기 정상 작동 온도란 쉬프트 반응기가 작동하면서 이 쉬프트 반응기에서 배출되는 쉬프트가스에 일산화탄소 농도가 5,000ppm 이하일 때의 쉬프트 반응기의 온도로서, 바람직하게는 200~300℃이다.
만일 상기 S220단계를 통하여 쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도인 것으로 확인되면 리포머 가스를 쉬프트 반응기로 공급한 다음, 상기 쉬프트 반응기에서 생성되는 쉬프트가스를 에어와 함께 연소 반응기에 제공한다(S225).
상기 S225단계에서 연소 반응기로의 산소 공급량은 상기 식1을 만족하도록 조절되는 것이 바람직하다. .
만일 상기 S220단계를 통하여 쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도보다 높다면, 쉬프트가스를 더 이상 연소 반응기에 제공하지 않고, 쉬프트가스를 CO 제거기로 제공한다(S230).
도 8은 도 7에 따라 연료처리기를 스타트 했을 때, 리포머의 온도와 쉬프트 반응기의 내부 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 이때 상기 연료처리기의 연소 반응기에는 연소 촉매로 SelectOxo 2.5g이 사용되었다.
도 8에 나타난 바와 같이 리포머의 내부 온도는 리포머 내부에 설치된 전용 버너에 의하여 10분 내에 500℃까지 상승하였다. 이때 리포머의 온도가 상승하는 것에 따라서 쉬프트 반응기의 온도도 조금씩 상승하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 쉬프트 반응기가 리포머 외부에 접촉하여 설치되어 있으므로, 리포머의 열이 쉬 프트 반응기로 전달되기 때문이다.
리포머의 온도가 500℃까지 상승하게 되면서 리포머 내에서 연료원으로 들어온 탄화수소 계열의 가스와 수증기가 반응하여 리포머 가스가 생성된다. 도 8로부터 리포머의 온도가 500℃까지 상승하여 리포머로부터 리포머 가스가 생성되면서, 쉬프트 반응기의 내부온도가 급격하게 상승하게 되어 수분 내에 작동 가능 온도인 100℃까지 상승한 것을 확인할 수 있다. 이는 쉬프트 반응기 대신 리포머가스와 에어를 공급받는 연소 반응기에서 발생한 열이 상기 연소 반응기에 접촉되어 있는 쉬프트 반응기의 온도를 상승시켰기 때문이다.
리포머의 온도가 500℃까지 상승하여 리포머 가스가 생성되기 시작하였지만, 쉬프트 반응기 내부의 온도가 작동 가능 온도인 100℃에 미치지 못하였기 때문에, 상기 리포머 가스가 쉬프트 반응기로 제공되지 않고 쉬프트 반응기의 외주면에 접촉하여 설치된 연소 반응기에 공급된 것이다.
쉬프트 반응기의 온도가 작동 가능 온도인 100℃까지 상승하게 되면 리포머에서 생성되는 리포머 가스가 연소반응기가 아닌 쉬프트 반응기로 공급되고, 쉬프트 반응기에서는 반응 결과물인 쉬프트 가스가 생성된다. 상기 쉬프트 반응기에서 생성된 쉬프트 가스가 에어와 함께 연소 반응기에 공급된다.
쉬프트 반응기의 내부온도가 도 8에 도시된 바와 같이 급격하게 상승하게 되어 수분 내에 정상 작동 온도인 200℃까지 상승한 것을 확인할 수 있는데, 이는 리포머 가스를 제공받은 쉬프트 반응기의 자체 반응열과, 쉬프트 가스와 에어를 공급받은 연소 반응기로부터 전달된 연소반응에 의하여 발생한 열에 의하여 쉬프트 반 응기의 온도가 상승하였기 때문이다.
쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도인 200℃까지 상승하게 되면 도 8에도시된 바와 같이 쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도에서 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이는 쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도인 200℃까지 상승하게 되면서 쉬프트 반응기에서 생성되는 쉬프트 가스가 더 이상 연소 반응기로 공급되지 않고, CO 제거기로 공급되게 되는데, 연소 반응기에는 상온의 산소만 공급되기 때문에 연소 반응기 내부의 온도가 하강하게 된다. 따라서, 쉬프트 반응기는 제공받은 리포머 가스에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 발열반응을 수행하면서 정상 작동 온도인 200℃ 이상으로 온도가 상승하게 되지만, 상기 쉬프트 반응기의 외주면에 접촉하여 설치된 연소 반응기에 의하여 정상 작동 온도를 유지하게 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.
도 1은 일반적인 연료전지의 전기 생성 원리를 설명하는 도면,
도 2는 연료처리기의 일반적인 구성을 보인 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료처리기의 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 적용될 수 있는 연소 반응기의 바람직한 설치 예를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료처리기의 구조를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 연료처리기를 작동시키는 과정을 설명하기 위한 흐름도,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 연료처리기를 작동시키는 과정을 설명하기 위한 흐름도,
도 8은 도 7에 따라 연료처리기를 스타트 했을 때, 리포머의 온도와 쉬프트 반응기의 내부 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100...연료처리기 110...리포머
120...쉬프트 반응기 130...연소 반응기
140...CO 제거기 150...에어 공급 유닛
160...제1밸브 170...제2밸브
180...제3밸브

Claims (22)

  1. 탄화수소 연료원을 물과 반응시켜서 수소가스를 추출해내는 리포머;
    상기 리포머에서 배출되는 리포머가스 중의 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소로 변환시키는 쉬프트 반응기;
    상기 쉬프트 반응기의 외주면에 접촉하여 설치되고, 내부에 형성된 가스유로를 따라 연소촉매가 배치되어 있는 연소 반응기;
    상기 쉬프트 반응기에서 배출되는 쉬프트가스 중의 일산화탄소를 산소와 반응시켜 제거하는 CO 제거기; 및,
    상기 쉬프트 반응기, 연소 반응기 및 CO 제거기에 선택적으로 에어를 공급하는 에어 공급 유닛을 구비하는 연료처리기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에어 공급 유닛으로부터 연소 반응기로의 산소 공급량을 조절하기 위한 제1 밸브; 및,
    상기 리포머에서 배출되는 리포머가스가 쉬프트 반응기 또는 연소 반응기 중어느 하나 이상에 공급되도록 리포머가스 공급을 조절하기 위한 제2 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 밸브는 쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도가 될 때까지 상기 리포머에서 배출되는 리포머가스가 연소 반응기로 공급되고,
    쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도 이상이면 상기 리포머에서 배출되는 리포머가스가 쉬프트 반응기로 공급되도록 리포머가스 공급을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  4. 제3항에 있어서,
    제1 밸브는 쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도가 될 때까지 상기 에어 공급 유닛으로부터 연소 반응기로의 산소 공급량이 하기 식을 만족하도록 조절하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
    0.1 < 산소의 부피/(수소의 부피 + 일산화탄소의 부피) < 2
  5. 제2항에 있어서,
    상기 쉬프트 반응기에서 배출되는 쉬프트가스가 CO 제거기 또는 연소 반응기중 어느 하나 이상으로 공급되도록 쉬프트가스 공급량을 조절하기 위한 제3 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 밸브는 쉬프트 반응기의 온도가 작동 가능 온도 이상, 정상 작동 온도 미만이면 상기 쉬프트 반응기에서 배출되는 쉬프트가스가 연소 반응기로 공급 되고,
    쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도 이상이면 상기 쉬프트 반응기에서 배출되는 쉬프트 가스가 CO 제거기로 공급되도록 쉬프트가스 공급을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  7. 제6항에 있어서,
    제1 밸브는 쉬프트 반응기의 온도가 작동 가능 온도가 될 때까지 상기 에어 공급 유닛으로부터 연소 반응기로의 산소 공급량이 하기 식을 만족하도록 조절하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
    0.1 < 산소의 부피/(수소의 부피 + 일산화탄소의 부피) < 2
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연소 반응기의 연소 촉매는 Pt, Pd, Ru, Au 및 상기 금속의 산화물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연소 반응기는 원통형 또는 튜브형 형상으로 상기 쉬프트 반응기의 외주면에 접촉하여 설치되는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    연소 반응기 작동 가능 온도는 80℃~150℃인 것을 특징으로 하는 연료 처리기.
  11. 제3항, 제4항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    연소 반응기 정상 작동 온도는 200℃~300℃인 것을 특징으로 하는 연료 처리기.
  12. (1) 탄화수소 연료원을 물과 반응시켜서 수소가스를 추출해내는 리포머에 탄화수소 연료원과 물을 제공하는 단계; 및,
    (2) 상기 제1단계를 통하여 리포머에서 배출되는 리포머가스를 에어와 함께쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도가 되기 전까지, 상기 쉬프트 반응기의 외주면에 접촉하여 설치되고 내부에 형성된 가스유로를 따라 연소촉매가 배치되어 있는 연소 반응기에 제공하는 단계;
    를 포함하는 연료처리기 운영방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2단계 이후에,
    (3) 쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도 이상이 되면 에어만을 연소 반응기에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기 운영방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2단계에서 상기 쉬프트 반응기에 제공되는 산소 공급량이 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
    0.1 < 산소의 부피/(수소의 부피 + 일산화탄소의 부피) < 2
  15. 제12항에 있어서,
    상기 연소 반응기는 연소 촉매로 Pt, Pd, Ru, Au 및 상기 금속의 산화물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기 운영방법.
  16. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    연소 반응기 정상 작동 온도는 200℃~300℃인 것을 특징으로 하는 연료처리기 운영방법.
  17. (1) 탄화수소 연료원을 물과 반응시켜서 수소가스를 추출해내는 리포머에 탄화수소 연료원과 물을 제공하는 단계; 및,
    (2) 상기 제1단계를 통하여 리포머에서 배출되는 리포머가스를 에어와 함께쉬프트 반응기의 온도가 작동 가능 온도가 되기 전까지, 상기 쉬프트 반응기의 외주면에 접촉하여 설치되고, 내부에 형성된 가스유로를 따라 연소촉매가 배치되어 있는 연소 반응기에 제공하는 단계;
    (3) 상기 제2단계에서 쉬프트 반응기의 온도가 작동 가능 온도 이상이 되면, 리포머가스와 에어를 연소 반응기에 제공하는 것을 중단하고, 상기 리포머가스를 쉬프트 반응기에 제공하는 단계; 및,
    (4) 상기 제3단계를 통하여 쉬프트 반응기에서 배출되는 쉬프트가스를 에어와 함께 쉬프트 반응기의 온도가 온도가 정상 작동 온도가 되기 전까지 연소 반응기에 제공하는 단계;
    를 포함하는 연료처리기 운영방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제4단계 이후에,
    (5) 쉬프트 반응기의 온도가 정상 작동 온도 이상이 되면 에어만을 연소 반응기에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기 운영방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제2단계에서 상기 쉬프트 반응기에 제공되는 산소 공급량이 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
    0.1 < 산소의 부피/(수소의 부피 + 일산화탄소의 부피) < 2
  20. 제17항에 있어서,
    상기 연소 반응기는 연소 촉매로 Pt, Pd, Ru, Au 및 상기 금속의 산화물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기 운영방법.
  21. 제17항에 있어서,
    연소 반응기 작동 가능 온도는 80℃~150℃인 것을 특징으로 하는 연료 처리기
  22. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    연소 반응기 정상 작동 온도는 200℃~300℃인 것을 특징으로 하는 연료 처리기
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