KR20090031406A - 개질기 및 재연소 장치를 구비하는 연료 전지 장치 - Google Patents

개질기 및 재연소 장치를 구비하는 연료 전지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생성물 가스를 형성하도록 산화제를 사용하여 발열 산화 반응으로 연료를 변환하는 버너 유닛(48)을 지닌 개질기(12)로서, 상기 생성물 가스는 버너 유닛(48)의 하류에서 추가의 연료와 혼합될 수 있으며, 이렇게 하여 형성된 가스 혼합물이 개질유를 공급하도록 개질기(12)에서 변환될 수 있는 것인 개질기(12)와, 개질유가 공급될 수 있는 연료 전지 스택(26), 그리고 연료 전지 스택(26)에서 변환된 물질이 공급될 수 있고, 산화제를 사용하여 발열 산화 반응으로 연료를 변환하는 버너 유닛(54)을 지닌 재연소 장치(36)를 포함하는 연료 전지 장치(10)에 관한 것이다. 본 발명은 개질기(12)의 버너 유닛(48)이 재연소 장치(36)의 버너 유닛(54)과 동일한 구성을 갖는 것을 제공한다. 더욱이, 본 발명은 그러한 연료 전지 장치(10)를 지닌 자동차에 관한 것이다.

Description

개질기 및 재연소 장치를 구비하는 연료 전지 장치{FUEL CELL SYSTEM WITH REFORMER AND AFTERBURNER}
본 발명은 생성물 가스를 형성하도록 연료와 산화제를 발열 산화 반응시키는 버너 유닛을 포함하는 개질기로서, 상기 생성물 가스는 버너 유닛의 하류에서 추가의 연료와 혼합 가능하며, 이렇게 형성된 가스 혼합물은 개질기에서 개질유로 개질 가능한 것인 개질기와, 개질유 공급물을 수용하는 연료 전지 스택, 그리고 연료 전지 스택에서 반응하는 물질의 공급물을 수용하고, 연료와 산화제가 발열 산화 반응을 일으키게 하는 버너 유닛을 지닌 재연소 장치를 포함하는 연료 전지 장치에 관한 것이다.
추가적으로, 본 발명은 그러한 연료 전지 장치를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
연료 전지 장치는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 역할을 한다. 그러한 연료 전지 장치의 중심적인 요소는 수소와 산소가 제어된 방식으로 반응하는 것에 의해 전기 에너지를 방출하는 연료 전지이다. 연료 전지 장치는 실제로 통상적으로 연료를 처리할 수 있어야 한다. 연료 전지에서 수소와 산소가 반응하기 때문에, 사용되는 연료는 연료 전지의 애노드(anode)에 공급되는 가스가 가능한 한 높은 비율의 수소를 갖도록 조정되어야 하며, 이것은 개질기의 임무이다. 이러한 목적으로, 연료와 산화제, 바람직하게는 공기는, 예컨대 부분 산화의 방법을 수행하는 것에 의해 연료가 산소와 반응하는 개질기에 공급된다. 종래 기술의 개질기가 독일 특허 DE 103 59 205 A1에 공지되어 있다. 한편으로는 최소의 유해 배출물을 지닌 연료 전지 장치의 연소 배출 가스를 주위로 방출하기 위해서, 그리고 다른 한편으로는 연료 전지 장치의 다양한 구성 요소와 매체 흐름 공급기를 예열하는 열원을 제공하기 위해서, 연료 전지 장치에 재연소 장치가 마련된다. 개질기와 달리, 재연소 장치는 거의 완전 연소를 수행하고, 이에 따라 연소 배출 가스에 최소의 유해 배출물을 남긴다. 종래 기술의 재연소 장치가 독일 특허 DE 10 2004 049 903 A1에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 비용 절감을 달성할 수 있도록 일반적인 연료 전지 장치와 자동차를 개선하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1에 기재되어 있는 연료 전지 장치에 의해 달성된다.
본 발명의 유리한 양태 및 다른 실시예는 종속항에 기재되어 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 장치는 개질기의 버너 유닛이 재연소 장치의 버너 유닛과 동일하게 구성된다는 일반적인 종래 기술에 기초한다. 이용 가능한 공간과 증발 특성에 관한 요건에 따라 개질기와 재연소 장치에 포함되는 버너 유닛이 선택되는 종래 기술에 비해, 이제 2가지 면에서 비용 절감이 달성된다. 한가지는 단일 타입의 버너 유닛만을 생산하는 것이 비용 효율적이라는 것이고, 나머지는 이제 기존 타입의 버너 유닛이 2배로 필요하기 때문에 규모의 경제학의 효과에 의해 비용 절감이 더욱 실현되어, 아이템의 가격이 저감되고 생산량이 많아진다는 것이다. 이에 따라, 동일하게 구성된 버너 유닛을 사용할 수 있도록 연료 전지 장치를 설계하는 것이 그렇지 않은 경우의 설계를 지향하는 것보다 합리적이기 때문에, 맞춤형 버너 유닛이 필요하다. 동일한 한가지 타입의 버너 유닛을 지닌 개질기를 설계하는 것은, 2개의 버너 유닛의 영역에 물리적 화학적 주변 조건이 존재할 수 있고, 모두가 매우 다를 수 있는 산화 조건이 선택된다는 사실의 면에서 더욱 유리할 수 있다. 그러한 장점에도 불구하고 맞춤형 설계는 개별 유닛과 연료 전지 장치의 구성을 조정하는 데 있어서, 상황에 따라 전술한 규모의 경제학의 효과를 이용하는 것보다 덜 적절할 수 있다. 다른 장점은 생산 및 작업장 양자에 있어서의 균일한 재고로부터 얻어진다.
이러한 구성에서, 유리하게는 개질기의 버너 유닛과 재연소 장치의 버너 유닛 각각은 연료 주입기를 갖는다.
대안으로서, 전술한 바와 같은 장점은 개질기의 버너 유닛과 재연소 장치의 버너 유닛 각각이 증발기형 연료 공급기를 포함한다는 점에서 달성될 수 있다.
본 발명은 또한 그러한 하나의 연료 전지 장치를 포함하여, 그에 상응하게 전술한 바와 같은 장점을 달성할 수 있는 자동차에 관한 것이다.
이제 첨부 도면을 참고하여, 예로서 본 발명의 바람직한 설명을 상술하겠다.
도 1은 바람직한 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치의 개략도이다.
이제 도 1을 참고하면, 바람직한 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치의 개략도가 도시되어 있다. 자동차에 설치되는 연료 전지 장치(10)는 제1 연료 라인(14)을 통해 연료 탱크(16)로부터의 연료 공급물을 수용하는 개질기(12)를 포함한다. 추가적으로, 개질기(12)는 제2 연료 라인(18)에 의해 추가의 공급기에서 연료 탱크(16)로부터의 연료 공급물을 수용한다. 적절한 연료 품등은 디젤, 가솔린, 바이오 가스, 천연 가스 및 종래 기술로부터 공지되어 있는 다른 연료 품등이다. 더욱이, 개질기(12)는 제1 산화제 라인(22)을 통해 산화제, 예컨대 공기 공급물을 수용한다.
개질기(12)는 주요 연료 공급기를 포함하는 버너 유닛(48)을 포함하며. 이 주요 연료 공급기는 연료를 버너 유닛(48)에 공급한다. 주요 연료 공급기는 제1 연료 라인(14)에 연결된다. 추가적으로, 버너 유닛(48)은 제1 산화제 라인(22)에 연결된 산화제 공급기를 포함하며, 이 제1 산화제 라인에 의해 버너 유닛(48)은 산화제 공급물을 수용할 수 있다. 버너 유닛(48) 내에서 연료와 산화제의 연소 또는 완전한 발열 산화 반응이 일어나고, 그 후 이렇게 하여 형성된 고온 생성물 가스 스트림이 하류의 혼합 구역(50), 즉 도 1의 우측에 진입한다. 혼합 구역(50)에서, 최종 생성물 가스는 보조 연료 공급기(20)에 의해 추가의 연료 공급물을 수용한다. 본 예에서, 주요 연료 공급기와 보조 연료 공급기는 각각 주입기, 바람직하게는 벤츄리 노즐을 포함한다. 그러나, 연료는 다공성 증발기를 포함하는 증발기형 연료 공급기에 의해 버너 유닛(48)과 혼합 구역(50)에 각각 공급되는 것만이 가능하다. 보조 연료 공급기(20)는 제2 연료 라인(18)에 연결된다. 추가적으로, 혼합 구역(50)은 산화제 공급물을 수용하도록 마련될 수 있다. 추가의 연료와 혼합된 가스 혼합물은 개질 구역(52)에 진입하고, 이 개질 구역에서 바람직하게는 내부에 배치된 촉매에 의해 상기 가스 혼합물이 흡열 반응을 일으켜 수소가 농후한 가스 혼합물을 생성한다. 이러한 개질유, 즉 수소가 농후한 가스 혼합물은 개질유 라인(24)을 통해 개질기(12)를 빠져나가고, 이 개질유 라인(24)은 연료 전지 스택(26)에서도 이용 가능하다.
개질유는 캐소드(cathode) 공급 공기 라인(28)을 통해 제공되는 캐소드 공급 공기의 도움에 의해 연료 전지 스택(26)에서 반응을 일으켜, 전기와 열을 생성한다. 전기는 전기 단자(30)를 통해 수집될 수 있다. 도시한 바와 같은 경우, 애노드 배출 가스는 애노드 배출 가스 라인(32)을 통해 재연소 장치(36)의 믹서(34)에 공급된다. 재연소 장치(36)는 제3 연료 라인(38)을 통해 연료 탱크(16)로부터의 연료 공급물을 수용한다. 더욱이, 재연소 장치(36)는 제2 산화제 라인(40)을 통해 산화제 공급물을 수용한다.
재연소 장치(36)는 연료 공급기를 포함하는 버너 유닛(54)을 포함하며, 이 연료 공급기는 연료를 버너 유닛(54)에 공급한다. 연료 공급기는 제3 연료 라인(38)에 연결된다. 더욱이, 버너 유닛(54)은 제2 산화제 라인(40)에 연결되는 산화제 공급기를 지니며, 이 제2 산화제 라인은 산화제를 버너 유닛(54)에 공급할 수 있다. 버너 유닛(54) 내에서, 연료와 산화제는 발열 산화 반응, 즉 실질적으로 완전 연소를 일으킨다. 이렇게 하여 형성된 연소 배출 가스는 그 후에 하류의 혼합 구역(56), 즉 도 1의 우측에 진입한다. 혼합 구역(56)에서, 최종 배출 가스는 믹서(34)에 의해 애노드 배출 가스와 혼합된다. 애노드 배출 가스와 혼합된 가스 혼합물은 도시한 바와 같은 예시적인 실시예에서, 가스 혼합물이 실질적으로 완전 연소되는 다공체로 채워지는 연소 구역(58)에 진입한다. 즉, 가스 혼합물은 연소 구역(58)에 있는 다공체에서 소멸된다.
캐소드 배출 공기 라인(44)을 통해 연료 전지 스택(26)에서 믹서(42)로 이송되는 캐소드 배출 공기와 믹서(42)에서 혼합되는 재연소 장치(36)에서 나온 연소 배출 가스는 최종적으로 연료 전지 장치(10)를 빠져나가기 전에 캐소드 배출 공기를 예열하는 열교환기(46)를 통해 흐른다.
개질기(12)의 개별 구역, 즉 버너 유닛(48)을 수용하는 구역, 혼합 구역(50) 및 개질 구역(52)과, 재연소 장치(36)의 개별 구역, 즉 버너 유닛(54)을 수용하는 구역, 혼합 구역(56) 및 연소 구역(58)은 도 1에서 파선에 의해 서로 분리되어 형성된 것으로 도시되어 있다. 상기 구역들은 구조적 특징부 또는 인터페이스에 의해 흐름 가능하게 서로 분리될 수 있다.
도면에 명백하게 도시되어 있지는 않지만, 전술한 바와 같이, 예컨대 펌프 또는 송풍기 및/또는 제어 밸브와 같은 대응하는 이송 수단이 연료 라인(14, 18, 38), 산화제 라인(22, 40), 캐소드 공급 공기 라인(28)에서의 흐름 제어를 위해 마련될 수 있다.
상기 설명과 도면에 개시되어 있고 청구되는 것과 같은 본 발명의 특징은 그 자체로서, 또는 임의의 조합 모두로 본 발명을 달성하는 데 필수적일 수 있다는 것 을 이해할 것이다.

Claims (4)

  1. 생성물 가스를 형성하도록 연료가 산화제와 반열 산화 반응을 일으키게 하는 버너 유닛(48)을 지닌 개질기(12)로서, 상기 생성물 가스는 버너 유닛(48)의 하류에서 추가의 연료와 혼합 가능하며, 이렇게 하여 형성된 가스 혼합물은 개질기(12)에서 개질유로 개질 가능한 것인 개질기와,
    개질유 공급물을 수용하는 연료 전지 스택(26), 그리고
    연료 전지 스택(26)에서 반응하는 물질의 공급물을 수용하고, 연료와 산화제가 발열 산화 반응을 일으키게 하는 버너 유닛(54)을 지닌 재연소 장치(36)
    를 포함하는 연료 전지 장치(10)에 있어서,
    상기 개질기(12)의 버너 유닛(48)은 재연소 장치(36)의 버너 유닛(54)과 동일하게 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 개질기(12)의 버너 유닛(48)과 재연소 장치(36)의 버너 유닛 각각은 연료 주입기를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 개질기(12)의 버너 유닛(48)과 재연소 장치(36)의 버너 유닛(54) 각각은 증발기형 연료 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 장치(10)를 포함하는 자동차.
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