KR20100006469A - 연료전지시스템의 연료변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지시스템의 연료변환장치에 관한 것으로, 개질기(10)의 외부에 열회수층(12)을 형성하고, 내부에 전열격벽(21)에 의한 연소가스배출통로(22)를 형성하며, 상기 열회수층(12)과, 개질기(10)의 하부와, 상기 연소가스배출통로(22)에 연결되는 3중관열교환기(30)를 설치한다.
단열재(40)로 구획된 상부공간에는 2분할된 CO변성기(50)가 설치되고, 이의 전단반응기(51)와 후단반응기(52) 사이에 반응물이 유입되는 2중관열교환기(60)가 설치된다.
따라서, 개질가스와 연소가스의 폐열을 최대한 회수하여 연료변환장치의 운용에 이용함으로써 연료변환장치의 효율이 향상되고, 연소가스 배출경로와 CO변성기(50)가 분리되어 있어서 CO변성기(50)의 과도한 온도 상승이 방지된다.
연료변환장치, 연료변환기, 개질장치, 연료전지 연료공급장치

Description

연료전지시스템의 연료변환장치{fuel processor of fuel cell system}
본 발명은 연료전지시스템의 연료변환장치에 관한 것으로, 연료를 개질하여 스택에서 발전에 이용할 수 있는 수소함유가스로 변환해주는 장치에 관한 것이다.
연료변환장치는 탄화수소계 연료를 수증기와 반응시켜 수소를 생성하는 개질기(reformer)와, 생성된 가스가 스택의 촉매에 피독을 일으키지 않도록 일산화탄소를 제거하는 CO변성기(shift converter) 및 CO제거기(remover)를 포함하여 구성된다.
상기 개질기는 다음의 메탄-수증기 개질반응(흡열반응)에 의해 수소를 생성하여 수소함유가스(개질가스)를 배출하고(CO함량 10~15%), 상기 CO변성기는 개질가스 중의 CO를 이산화탄소로 변성(발열반응)시킴과 더불어 수소를 생성하며(CO함량 1% 이하), 상기 CO제거기는 선택적 산화반응(발열반응)에 의하여 CO를 ppm 단위(10ppm 이하)까지 제거한다.
상기와 같은 방법으로 일산화탄소가 필요한 수준까지 정화된 연료가스가 스택의 연료극(anode)으로 공급되고, 공기극(cathode)으로는 공기(산소)가 공급되어 전해질막을 매개로 전기화학반응이 이루어져 발전이 이루어지고, 부수적으로 물 및 열이 생성된다.
생성된 전류는 직류로서 인버터를 사용하여 교류로 전환하여 사용하게 된다. 또한, 발생된 열은 소정의 열교환기를 사용하여 온수로서 축열 저장하고 필요에 따라 급탕 및 난방용으로 사용하게 된다.
상기 연료변환장치는, 특히 가정용 연료전지시스템에 있어서는, 보다 소형이면서 고효율일 것이 요구되는데, 기존의 연료변환장치는 개질기에서 개질반응에 필요한 열을 버너에서만 얻을 수 있고(버너 공급연료량 증가), 버너 연소가스의 폐열을 충분히 이용하지 못하였다.
또한, 정격에서 발열반응을 하는 CO변성기의 온도가 과도히 상승하는 것을 방지하기 위해서 반응물 중 물(H2O)의 양을 증가시켜야 했다.
상기의 원인들에 의해 종래의 연료변환장치는 효율이 저하되었으며, 이의 제고가 필요하였다.
이에 본 발명은 상기와 같은 필요에 의해 안출된 것으로, 폐열 회수를 강화하고, CO변성기의 온도가 과도히 상승하는 것을 방지하여, 보다 효율이 향상된 연료전지시스템의 연료변환장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
개질가스배출구가 상부 정점에 형성된 돔형 개질기와;
상기 개질기의 외주를 둘러싸는 열회수층과;
상기 개질기의 내측 공간에 설치된 버너와;
상기 개질기의 내주면에 근접 설치되어 연소가스배출통로를 형성하는 전열격벽과;
상기 열회수층의 외측에 설치되고, 상기 열회수층에 연결되어 개질가스가 배출되는 내측관과, 상기 개질기의 하단에 연결되어 반응물이 투입되는 중간관과, 상기 연소가스배출통로에 연결되어 버너 연소가스가 배출되는 외측관으로 이루어진 3중관열교환기와;
상기 열회수층을 둘러쌈과 더불어 내부 공간을 상부공간과 하부공간으로 구획하는 단열재와;
상기 상부공간에 설치된 CO변성기;
를 포함한다.
상기 CO변성기는 원통형의 전단반응기와, 그 내부에 삽입되는 후단반응기로 이루어지고, 상기 전단반응기에 상기 3중관열교환기의 내측관이 연결되며, 상기 전단반응기와 후단반응기의 하단이 연결되고, 상기 후단반응기의 상단에 변성가스배출구가 형성된다.
상기 CO변성기의 촉매는 운전온도 200~280℃ 범위에서 연속 사용이 가능한 촉매이다.
한편, 상기 전단반응기와 후단반응기의 사이에 내측관과 외측관으로 이루어진 2중관열교환기가 밀착상태로 삽입되고, 상기 내측관과 외측관의 하단은 상호 연결되며, 상기 내측관의 상단에 반응물유입구가 형성되고, 상기 외측관의 상단이 상기 3중관열교환기의 중간관과 연결된다.
상기 3중관열교환기의 외측관 상단에는 연소가스배출구가 형성된다.
상기 3중관열교환기와 2중관열교환기의 관들을 통과하는 유체는 인접한 관의 관을 통과하는 유체와 상호 역류관계에 있게 된다.
상기 열회수층에 전열성능의 증대를 위하여 세라믹재질의 전열물질이 충진될 수 있다.
마찬가지로 상기 3중관열교환기와 2중관열교환기의 내부에도 ss-wool(stainless steel wool) 재질의 전열물질을 충진할 수 있다.
한편, 상기 개질기의 하단과 3중관열교환기의 중간관의 하단 사이에 확산층이 형성된다.
상기와 같이 확산층이 형성될 경우, 버너의 화염이 확산층과 개질기내 촉매 층의 경계에 위치된다.
또한, 상기 개질기의 촉매층이 하부의 저온촉매층과 상부의 고온촉매층으로 구성될 수 있다.
이때 상기 저온촉매층은 탄소 석출을 방지하기 위한 소량의 전처리 촉매층이고, 상기 고온촉매층은 다량의 주 개질반응층으로 구성될 수 있다.
상기와 같이 개질촉매층이 저온촉매층과 고온촉매층으로 구성될 경우, 버너 화염은 상기 저온촉매층과 고온촉매층의 사이에 위치되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 3중관열교환기와 CO변성기의 전단반응기 사이에 전열장치가 설치될 수 있다.
그리고 상기 2중관열교환기의 내측관과 외측관의 사이에 전열장치가 설치될 수 있다.
상기 3중관열교환기 외측관의 반경방향 외측에 상기 외측관과 상단부가 상호 연결된 최외측관이 설치되고, 상기 최외측관의 외주면에 물증발기가 설치된다.
상기 물증발기는 하단에 물공급구가 형성되고, 상단에 수증기배출구가 형성되며, 그 수증기배출구가 3중관열교환기 중간관의 중간 부분에 연결된다.
상기 물증발기의 내부에는 다수의 층상 유로를 형성하는 구획판들이 설치되고, 이들 구획판들을 상하방향으로 가로지르는 차단판이 설치되며, 상기 차단판을 중심으로 각 구획판에 좌우 반복하여 이동통로가 형성되어, 복층구조의 순환유로가 형성된다.
또한, 상기 물증발기와 밀착된 최외측관의 내부가 상기 물증발기와 동일한 구조로 이루어지고, 그 내부를 흐르는 버너 연소가스와 물증발기의 수증기가 역류관계를 이룬다.
상기 물증발기와 상기 최외측관의 내부에 ss-wool 재질의 전열물질을 설치할 수 있다.
또한, 상기 차단판 양측의 상기 이동통로 외측부에 타공판이 설치될 수 있다.
또한, 상기 3중관열교환기의 중간관의 외주면에 접하여 CO제거기가 설치된다.
상기 CO제거기는 원통형의 장치로서, 상단에 형성된 변성가스유입구가 상기 후단반응기의 변성가스배출구에 연결되고, 하단에 형성된 정화가스배출구가 스택의 연료극에 연결되며, 상기 변성가스유입구의 이전 부분에 공기유입구가 형성된다.
상기 CO제거기의 내부에 원주방향을 따라 상단부착배플과 하단부착배플이 반복 설치되어 상하 왕복 경로가 형성된다.
한편, 상기 물증발기가 최외측관의 외주면 상부에 설치되고, 하부에는 버너로 공급되는 공기와 연료가스를 예열하는 연소반응물예열기가 설치되며, 상기 최외측관의 내주면에 스택의 연료극에서 배출된 오프가스를 예열하는 스택오프가스예열기가 설치된다.
상기 연소반응물예열기와 스택오프가스예열기의 내부는 상기 물증발기와 동일한 구조로 이루어지고, 그 내부 유동은 상기 최외측관의 버너 연소가스의 유동과 역류관계를 이룬다.
상기 물증발기의 수증기배출구를 2중관열교환기 내측관의 반응물유입구로 연결할 수도 있다.
또한, 상기 물증발기의 수증기배출구는 상기 중간관의 상단에 연결될 수도 있다.
또한, 본 발명은 상기 CO변성기 후단반응기의 변성가스배출구와 상기 CO제거기의 변성가스유입구 사이의 변성가스 공급통로상에 물예열기가 설치된다.
상기 물예열기의 물배출관은 상기 물증발기의 물공급구에 연결된다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 개질기를 둘러싼 열회수층으로부터 개질가스의 열을 재흡수하여 개질반응에 이용함으로써 버너에서 공급해야 할 열량이 감소된다.
또한, 버너 내측에 전열격벽을 이용하여 2중의 유로를 형성함으로써 연소가스가 개질기의 내부공간에 머무는 시간과 경로를 증가시켜 연소가스로부터의 열회수량이 증가된다.
외부로부터 공급되는 반응물이 CO제거기, CO변성기, 개질가스 및 연소가스와 열교환하여 충분히 예열됨으로써 개질기의 운전온도 유지가 용이하며, 버너에서의 소모연료량이 감소된다.
또한, 버너 연소가스의 열량을 이용하여 반응물 중 물을 가열하여 수증기로 변환하고, 버너로 공급되는 연소용 연료가스와 공기 및 스택오프가스를 예열할 수 있게 됨으로써 버너의 효율이 증가된다.
또한, 버너 연소가스 배출경로와 발열반응기인 CO변성기를 분리 설치함으로써 CO변성기의 온도가 과도 상승되는 것을 방지할 수 있고, 종래에 CO변성기의 운전온도를 유지하기 위해 과량의 물을 투입하던 것을 중지할 수 있게 됨으로써 낮은 수증기/탄소 비를 유지할 수 있게 된다.
또한, CO제거기의 경우, 개질기로 공급되는 반응물(연료가스) 및 물증발기로 공급되는 물과 열교환하여 냉각됨으로써 운전온도의 과도 상승이 방지된다. 따라서, 종래에 냉각을 위해 설치하였던 팬(fan)과 같은 추가장비의 설치와 그의 작동 제어를 위한 제어 로직이 필요 없으므로 시스템 설치 및 운전이 용이해진다.
즉, 전체적으로 개질가스와 버너 연소가스의 열을 회수하여 장치 운용에 이용하는 시스템을 구축함으로써 연료변환장치의 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 모든 장치들이 원통형으로 구성되어 상호 동심원상으로 설치되므로 보다 컴팩트한 소형의 장치를 구성할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 연료변환장치의 단면도이다.
장치의 내측 중앙 하부에 위치한 개질기(10)는 하단으로부터 공급받은 연료가스와 수증기가 상방으로 확산하면서 촉매반응에 의해 개질이 이루어지고 그에 따라 생성된 수소함유가스가 집중되어 배출되기 용이하도록 돔(dome) 형으로 이루어진다.
상기 개질기(10)의 개질가스배출구(11)는 개질기 몸체의 상부 정점에 형성되 고, 상기 개질기의 외주 표면 전체를 둘러싸는 열회수층(12)이 형성된다.
상기 개질기(10)의 내부 중앙에는 개질기와 동일한 종류의 연료를 공급 받아 연소시킴으로써 개질반응에 필요한 열을 공급하는 버너(20)가 구비된다.
상기 버너(20)와 개질기(10)의 사이에는 개질기의 내주면에 근접하여 소정 간격을 두고 원통형의 전열격벽(21)이 설치된다.
상기 전열격벽(21)은 버너(20) 화염의 복사열을 전달 받아 자신의 몸체 표면 전체를 통해 재방사(복사)함으로써 개질기(10)의 내주면 전체에 균일하게 열을 전달하는 역할을 한다.
또한, 상기 전열격벽(21)에 의해 개질기(10) 내주면 표면에 근접하여 연소가스배출통로(22)가 형성됨으로써 고온의 연소가스와 개질기(10) 내주면의 접촉량이 증가하여 연소가스의 열이 개질기(10)로 보다 원활히 전달될 수 있게 된다. 전열격벽(21)의 상단은 연소가스 배출을 위해 개방되어 있다.
상기 열회수층(12)의 외측으로는 소정 간격을 두고 내측관(31)과 중간관(32)및 외측관(33)으로 이루어진 3중관열교환기(30)가 설치된다.
상기 3중관열교환기(30)의 내측관(31)은 상기 열회수층(12)에 연결되어 개질가스의 배출통로가 되고, 상기 중간관(32)은 상기 개질기(10)의 하단에 연결되어 연료가스와 수증기 등의 반응물이 투입되는 반응물 유입통로가 되며, 상기 외측관(33)은 상기 연소가스배출통로(22)에 연결되어 버너 연소가스의 배출통로가 된다.
상기 열회수층(12)의 외측에는 원통형의 단열재(40)가 설치되어 단열이 이루 어진다.
상기 단열재(40)의 수직부분은 열회수층(12)과 3중관열교환기(30)의 사이의 열전달을 차단하고, 수평부분은 연료변환장치의 상부공간과 하부공간을 구획함과 더불어 이들 사이의 열전달을 차단한다.
따라서, 개질가스배출구(11)로 배출되어 상기 열회수층(12)을 통과하는 고온 개질가스의 열손실이 최소화됨으로써 보다 많은 양의 열이 개질기(10)로 재흡수될 수 있게 된다.
상기 단열재(40)에 의하여 하부공간과 구획된 상부공간에는 상기 개질기(10)에서 생성된 개질가스가 유입되어 CO변성반응에 의해 CO를 제거하는 CO변성기(50)가 설치된다. CO변성기(50)에 사용되는 CO변성촉매는 운전온도 200~280℃ 범위에서 연속 사용이 가능한 촉매이다.(CO변성기의 정격운전온도는 230℃이다.)
상기 CO변성기(50)는 개질가스 이동 경로상의 앞쪽에 위치한 전단반응기(51)와, 그 후방에 위치한 후단반응기(52)로 이루어지는데, 상기 전단반응기(51)는 내부가 빈 원통형으로서 외주면이 상기 3중관열교환기(30)의 내측관(31)에 접하도록 설치되고, 상기 후단반응기(52)는 원기둥형으로서 상기 전단반응기(51)의 중앙 빈 공간에 설치된다.
상기 전단반응기(51)의 상단에 3중관열교환기(30)의 내측관(31)이 연결되고, 전단반응기(51)의 하단은 상기 후단반응기(52)의 하단에 연결되며, 상기 후단반응기(52)의 상단에는 변성가스배출구(53)가 형성되어, 개질기(10)로부터 CO변성기(50)를 경유하는 밀폐 경로가 형성된다.
한편, 상기 전단반응기(51)와 후단반응기(52)의 사이에는 내측관(61)과 외측관(62)으로 이루어진 2중관열교환기(60)가 설치된다.
상기 내측관(61)과 외측관(62)은 각각 상기 후단반응기(52)와 전단반응기(51)에 밀착되어 있으며, 상기 내측관(61)과 외측관(62)의 하단은 상호 연결되어 있다.
또한, 상기 내측관(61)의 상단에는 반응물유입구(63)가 형성되고, 상기 외측관(62)의 상단은 상기 3중관열교환기(30)의 중간관(32) 상단과 연결되어 있다.
한편, 상기 3중관열교환기(30)의 외측관(33) 상단에는 연소가스배출구(34)가 형성된다.
상기와 같은 구성에 의하여 상기 3중관열교환기(30)와 2중관열교환기(60)를 통과하는 모든 유체는 인접한 관로를 통과하는 유체와 상호 역류(counter flow) 관계를 형성함으로써 유동 사이의 열교환이 보다 활발히 이루어질 수 있게 된다.
상기 실시예의 작동은 다음과 같이 이루어진다.
연료가스와 수증기가 상기 반응물유입구(63)로 유입되면 2중관열교환기(60)의 내측관(61)과 외측관(62)을 통과하면서 CO변성기(50)의 후단반응기(52)와 전단반응기(51)로부터 열을 흡수하여 온도가 상승된다.(CO변성기(50)의 반응은 발열반응이다.)
이어 상기 반응물(=연료가스, 수증기)은 3중관열교환기(30)의 중간관(32)을 따라 하방으로 흐르면서 내측관(31)을 따라 상승하는 개질가스와 외측관(33)을 따라 상승하는 연소가스로부터 열을 흡수하여 개질기(10)로 투입되기 전에 충분한 온 도로 승온된다.
따라서, 반응물의 유입에 의해 개질기(10)의 온도가 크게 떨어지지 않으므로 개질기의 운전온도 유지를 위한 버너(20)의 연료소비량이 감소되어 연료변환장치의 효율이 향상된다.
상기 개질기(10)로 유입된 연료가스와 수증기는 개질촉매를 매개로 개질반응을 일으켜 다량의 수소를 포함한 수소함유가스(=개질가스)로 전환되어 개질가스배출구(11)로 배출된다.
개질반응은 흡열반응으로서 이에 필요한 열량은 상기 버너(20)의 연료가스 연소에 의해 생성된다. 버너 화염으로부터의 복사열은 상기 전열격벽(21)을 통해 개질기로 전달되고, 이에 더불어 연소가스가 연소가스배출통로(22)를 흐르면서 개질기의 내측면과 열교환하여 열을 전달하게 된다.
또한, 상기 개질가스배출구(11)로 배출되는 개질가스는 600~700℃의 온도를 가지는데, 이러한 고온의 개질가스가 개질기(10)를 둘러싼 열회수층(12)을 통해 배출되면서 개질기의 외주면과 열교환하여 개질기로부터의 열방출을 막거나, 특히 개질기의 하부 영역에 있어서는 개질기 쪽으로 열을 전달하여 개질기가 정격운전온도를 유지하는데 도움을 주게 된다.
따라서, 개질기의 운전을 위해 소모되는 버너(20)의 연료량이 감소하게 됨으로써 연료변환장치의 효율이 향상된다.
한편, 상기 열회수층(12)으로부터 개질기(10)로의 열전달 성능을 향상시키기 위해 열회수층(12)에 전열물질(세라믹 재질)을 충진할 수 있다. 이에 개질가스의 열이 전열물질에 흡수되어 열회수층(12)의 보유 열량이 향상됨으로써 개질기로의 열 회수에 유리하게 작용한다.
상기 열회수층(12)을 통과한 개질가스는 3중관열교환기(30)의 내측관(31)을 통해 장치의 상부공간으로 이동하게 되고, 상기 연소가스배출통로(22)를 통과한 연소가스는 3중관열교환기(30)의 외측관(33)을 통해서 장치의 상부공간으로 이동한다.
이때 상기 내측관(31)과 외측관(33) 사이의 중간관(32)으로 반응물이 하방으로 이동하고 있는 바, 전술한 바와 같이 개질가스와 연소가스는 역류(counter flow) 관계에 있는 반응물에 열을 전달하여 반응물이 개질기 유입 전에 충분히 예열(400℃ 이상)될 수 있게 된다.
상기의 과정을 거친 연소가스는 연소가스배출구(34)를 통해 배출되고, 상기 개질가스는 CO변성기(50)의 전단반응기(51)와 후단반응기(52)를 차례로 통과하면서 2차에 걸친 CO변성반응을 통해 CO함량이 1%(바람직하게는 0.5%) 이하로 감소된다. 이어, 후단반응기(52) 상단의 변성가스배출구(53)에서 배출되는 변성가스는 CO제거기(이하에 설명됨)로 유입된다.
한편, 상기 CO변성기(50)는 전단반응기(51)와 후단반응기(52)로 분할 구성됨과 더불어 이들 각각이 2중관열교환기(60)의 내측관(61)과 외측관(62)에 접촉되어 있으므로 반응물유입구(63)를 통해 장치 내로 유입된 저온 상태의 반응물과 열교환하게 된다.
따라서, 발열반응이 이루어지는 CO변성기(50)의 온도가 과도하게 상승하는 것이 방지된다.
따라서, CO변성기(50)의 과도한 온도 상승 방지를 위한 수증기 투입량을 감소시킬 수 있게 됨으로써 수증기/탄소 비를 낮게 유지할 수 있게 되어 연료변환장치의 효율이 제고된다.
상기와 같은 열교환 작용을 통해 반응물의 예열이 이루어짐은 물론이다.
한편, 상기 3중관열교환기(30)와 2중관열교환기(60) 역시 전열성능의 증대를 위하여 내부에 전열물질(ss-wool 재질)을 충진할 수 있다.
상기 단열재(40)는 열회수층(12)을 통과하는 개질가스의 열이 다른 곳으로 전달되는 것을 차단함으로써 가능한 많은 열이 개질기로 재흡수될 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한, 개질기(10)와 버너(20)가 설치된 하부공간과 CO변성기(50)가 설치된 상부공간을 상호 분리함으로써 상기 CO변성기(50)의 과도한 온도상승을 방지하는데 도움이 된다.
한편, 상기 개질기(10)의 하단과 3중관열교환기(30)의 중간관(32)을 연결하는 수평공간은 확산층(10a)으로 작용하게 되는데, 이 확산층(10a)을 지나면서 반응물(연료가스, 수증기)간 혼합이 더욱 진행되어 반응물 가스의 균질성이 향상되므로 개질반응 활성화에 도움이 된다.
이때 상기 버너(20)의 화염 위치를 상기 확산층(10a)과 개질기(10) 내 촉매층의 경계에 배치하여 개질기 입구의 온도를 더 상승시킴으로써 개질기내 온도 구배를 감소시켜 개질 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 개질기(10)의 촉매층을 하부의 저온촉 매층(10b)과 상부의 고온촉매층(10b)로 구성할 수 있다.
이와 같이 활성온도 영역이 다른 개질촉매층을 구성함으로써 상대적으로 낮은 온도의 반응물이 유입된 하부영역과, 하부영역에서 개질반응이 진행되면서 승온되어 상대적으로 높은 온도의 반응물이 유입되는 상부영역에서 각각 최적의 상태로 활발한 개질반응이 진행되도록 함으로써 개질반응의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 이때 상기 저온촉매층(10b)을 연료가스로부터의 탄소 석출을 방지하는 전처리 촉매층으로 하고, 고온촉매층(10c)을 주 개질반응층으로 구성(저온촉매의 양보다 고온촉매의 양을 많게 구성함)함으로써 주 개질반응층에서의 탄소 석출로 인한 촉매의 활성저하를 방지하여 개질기 전체의 수소 생성 성능을 향상시킬 수 있다. 이로써, 개질기의 효율이 향상되고, 이는 연료변환장치 전체의 효율을 향상시킨다.
이와 같이 개질기 내 촉매층을 저온촉매층(10b)과 고온촉매층(10c)으로 구분할 때는 버너(20) 화염을 상기 저온촉매층(10b)과 고온촉매층(10c)의 사이에 위치시켜 저온촉매층(10)으로의 열 복사량을 감소시킴으로써 개질기의 촉매층에 적절한 온도구배가 형성되도록 한다.
한편, 상기 3중관열교환기(30)와 CO변성기의 전단반응기(51) 사이에 전열장치(70)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 2중관열교환기(60)의 내측관(61)과 외측관(62)의 사이에 전열장치(71)가 설치될 수 있다.
상기 전열장치(70,71)는 전기를 공급받아 발열하는 코일인 것이 무난하다.
상기 전열장치(70,71)들의 작용에 의해 연료전지시스템 운전 개시 동안 CO변성기(50)와 반응물의 온도상승을 신속히 유도함으로써 운전개시 시간을 감소시킬 수 있게 된다.
상기 전열장치(70,71)들은 연료변환장치에 2개 모두를 동시에 적용하여 사용하거나, 또는 둘 중 하나만을 적용하여 사용하는 것이 가능하다.
도 3은 상기 실시예의 변형 실시예로서, 상기 3중관열교환기(30)의 하반부 외측에 물증발기(80)가 설치된다.
상기 물증발기(80)는 버너(20)의 연소가스와 열교환하여 유입된 물을 증발시켜 배출하게 되는데, 이를 위해 상기 3중관열교환기(30) 외측관(33)의 반경 방향 외측으로 최외측관(34)이 설치되고, 이 최외측관(34)의 외주면에 상기 물증발기(80)가 밀착 설치된다.
상기 외측관(33)과 최외측관(34)은 상호 상단부가 연결되어 있어서 상기 외측관(33)을 따라 상승하던 연소가스가 상기 최외측관(34)을 통해 하강하여 장치 외부로 배출되도록 되어 있다. 따라서, 상기 최외측관(34)을 통해 배출되는 연소가스와 상기 물증발기(80)를 통해 상승되는 수증기는 상호 반대의 흐름 방향을 가진다.
따라서, 물증발기(80)의 하부에 형성된 물공급구(81)로 유입된 물은 물증발기(80)의 내부 공간을 소정의 경로를 따라 상승하는 동안 상기 최외측관(34)을 통해 배출되는 연소가스로부터 열을 전달 받아 가열되어 증기화되고, 이후 물증발기(80)의 상단과 상기 3중관열교환기(30) 중간관(32)의 중간 부분 사이에 연결된 수증기배출구(82)를 통해 반응물 공급경로 상에 유입된다.
수증기의 공급이 상기와 같이 이루어짐으로써 상기 2중관열교환기(60) 내측관(61) 상단의 반응물유입구(63)로는 연료가스의 유입만 이루어진다.
한편, 상기 물증발기(80) 내부의 물이 연소가스로부터 보다 많은 열량을 흡수토록 하기 위하여 상기 물증발기(80)의 내부는 도 4와 같은 구조를 갖는다.
즉, 상기 물증발기(80)의 내부에는 다수의 층상 유로를 형성하는 구획판(83)들이 설치되고, 이들 구획판(83)들을 상하방향으로 가로지르는 상태로 차단판(84) 설치된다. 그리고, 상기 차단판(84)을 중심으로 하여 각 구획판(83)에 좌우 반복하여 이동통로(83a)가 형성된다.
따라서, 하층의 유로를 따라 물증발기(80)를 원주방향으로 순환한 물은 차단판(84)에 이르러 이동통로(83a)를 통해 상층의 유로로 유입되며, 다시 그 유로를 순환한 후 차단판(84)의 반대쪽 측면에서 이동통로를 통해 그 상층의 유로로 유입된다. 이와 같이 물증발기(80)의 내부에 복층구조의 순환유로가 형성되어 긴 이동경로를 확보할 수 있게 됨으로써 상기 최외측관(34)을 통과하는 연소가스로부터 보다 많은 양의 열을 흡수할 수 있게 되어 용이하게 수증기로 전환이 이루어지게 된다.
이때 물(물증발기의 하부에서 상부로 이동하면서 수증기로 상변화됨)과 연소가스의 흐름이 보다 완전한 역류관계를 형성할 수 있도록 상기 최외측관(34)의 내부를 물증발기와 동일한 구조로 형성할 수 있다.
따라서, 입구와 출구의 위치관계에 따라 전반적인 흐름 방향 즉, 상하 방향 으로 역류관계가 형성된 것에 더하여, 최외측관(34)과 물증발기(80) 내부의 구분된 각 층의 원주방향 유동 또한 상호 역류관계를 형성하여 보다 활발한 열교환 작용이 이루어지게 된다.
상기 물증발기(80)와 최외측관(34)의 내부에도 ss-wool과 같은 전열물질을 설치하여 열교환 효과의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기 차단판(84)의 양측에 소정 간격을 두고 타공판(85)이 설치될 수 있다. 상기 타공판(85)은 차단판(84)과 같이 구획판(83)을 상하로 가로지르는 상태로 설치되되 다수의 구멍이 형성되어 있어 유체의 흐름을 가능하게 한 것이다.
상기 타공판(85)이 설치되는 경우, 상기 이동통로(83a)는 타공판(85)의 내측 즉, 차단판(84)과 타공판(85)의 사이에 형성되기도 한다.
상기 타공판(85)은 타공판(85)을 지난 유체의 역류를 방지함으로써 하층 유로의 유체가 상층 유로로 보다 원활히 이동될 수 있도록 하는 기능을 수행한다.
한편, 상기의 변형 구조에 의하여 연료변환장치 상부에는 연소가스 배출경로가 존재하지 않으며 3중관열교환기(30)의 중간관(32)이 최외곽에 위치하게 되는데, 이 중간관(32)의 외주면에 접하여 CO제거기(90)가 설치된다.
따라서, 상기 CO제거기(90)는 중간관(32)을 통과하는 반응물 즉, 연료가스를 예열해주는 기능을 가진다.
상기 CO제거기(90) 역시 원통형의 장치로서, 상단 일측에 변성가스유입구(91)가 형성되어 상기 CO변성기(50)의 후단반응기(52)에 형성된 변성가스배출구(53)에 연결되고, 하단 일측에 정화가스배출구(92)가 형성되어 스택의 연료 극(anode)에 연결된다. 상기 변성가스유입구(91)의 이전 부분에는 선택적 산화 반응을 위한 공기가 유입되는 공기유입구(93)가 형성된다.
따라서, 상기 CO변성기(50)를 통해 CO가 1차 제거되고 수소 함량이 증가된 변성가스(shift gas)가 상기 CO제거기(90)을 통과하면서 CO가 스택 투입 조건(10ppm 이하)을 만족하는 상태로 제거되고, 그 정화가스가 스택으로 공급되어 발전에 사용된다.
상기와 같이, 버너 연소가스의 배출경로 상에 물증발기(80)를 설치하여 개질반응에 필요한 수증기를 연소가스의 열을 회수하여 생성함으로써 버너의 연소가스의 폐열을 활용할 수 있게 되어 연료변환장치의 효율이 향상된다.
한편, 상기 CO제거기(90)의 내부에는 CO제거반응을 위한 촉매가 충진되어 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 원주방향을 따라 상단부착배플(93a)과 하단부착배플(93b)이 반복 설치되어, 변성가스유입구(91)로 유입된 변성가스가 상기 배플들에 의해 형성된 상하 왕복 경로를 경유하여 정화가스배출구(92)를 통해 배출된다.
따라서, 긴 경로를 경유하면서 충분한 CO제거반응이 이루어질 수 있게 된다.
도 6의 실시예는 연소가스가 배출되는 상기 최외측관(34)의 외주면 상부에는 상기 물증발기(80)가 설치되고, 하부에는 연소반응물예열기(100)가 설치되며, 상기 최외측관(34)의 내주면에는 스택오프가스예열기(110)가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 연소반응물예열기(100)로는 버너(20)로 공급되는 연료가스와 공기가 공급되어 예열되고, 상기 스택오프가스예열기(110)로는 스택의 연료극(anode)에서 사 용되고 남은 배출가스 즉, 스택오프가스가 공급되어 예열되며, 각 예열기를 통해 예열된 연소반응물가스와 스택오프가스는 버너(20)로 공급되어 연소됨으로써 개질반응에 필요한 열을 발생시킨다.
한편, 상기 연소반응물예열기(100)와 스택오프가스예열기(110)의 내부도 상기 물증발기(80)와 동일(도 4의 구획판(83)과 차단판(84) 및 이동통로(83a)로 이루어진 구조) 구조로 이루어져 있어 연소반응물과 스택오프가스가 긴 이동경로를 거치면서 연소가스로부터 더욱 많은 열을 흡수하여 충분히 예열될 수 있도록 되어 있다.
또한, 상기 각 예열기의 입구와 출구의 위치를 적절히 조절하여 상기 최외측관(34)을 통해 배출되는 연소가스에 대해 상기 각 예열기를 통과하는 연소반응물 및 스택오프가스가 역류 관계를 형성토록 함으로써 보다 활발한 열교환이 이루어지도록 할 수 있다.
이와 같이, 연소반응물과 스택오프가스의 예열에도 버너(20)의 연소가스열을 이용하여 폐열 회수(이용)률이 증가함으로써 연료변환장치의 효율이 향상된다.
한편, 도 7과 같이 상기 물증발기(80)의 수증기배출구(82)를 2중관열교환기(60) 내측관(61)의 반응물유입구(63)로 연결할 수도 있다.
이 경우 수증기를 연료가스와 함께 2중관열교환기(60)를 통과시키면서 상기 전열장치(71)에 의해 가열해줄 수 있게 됨으로써 개질기(10)로 보다 높은 온도로 예열된 수증기를 공급할 수 있게 되어 개질기의 반응 온도 유지에 도움이 되며, 이에 버너의 사용 연료량이 감소되므로 연료변환장치의 효율이 향상된다.
도 8은 상기 물증발기(80)에서 생성된 수증기의 유입위치를 변경시킨 또 다른 실시예로서, 이 경우 물증발기(80)의 수증기배출구(82)는 상기 중간관(32)의 상단에 연결된다.
즉, 상기 수증기배출구(82)는 상기 CO제거기(90)에 접해 있는 반응물공급관로에 연결되는 것이다.
이로써 CO변성기(50)의 운전온도가 과도하게 낮아지는 현상이 방지되고, 상기 CO제거기(90) 운전온도의 과도한 상승이 방지되어 적절한 운전온도가 유지될 수 있도록 한다.
도 9는 물예열기(120)를 더 구비한 실시예이다.
상기 물예열기(120)는 CO변성기(50) 후단반응기(52)의 변성가스배출구(53)와 상기 CO제거기(90)의 변성가스유입구(91) 사이에 연결된 변성가스 공급통로 상에 설치된다. 그리고, 상기 물예열기(120)는 물공급관과 물배출관을 구비하며, 상기 물배출관이 상기 물증발기(80)의 물공급구(81)에 연결된다.
따라서, 상온의 물이 상기 물예열기(120)로 공급되어 내부를 지나면서 변성가스로부터 열을 흡수하여 예열된 후, 상기 물증발기(80)로 공급됨으로써 물증발기(80)에서의 증기화 효율이 향상된다.
또한, 동일조건에서 CO제거기(90)로 유입되는 변성가스의 온도가 조절되더라도 CO제거기(90)의 운전온도를 일정 범위 내에서 유지할 수 있게 되므로, 발열반응기인 CO제거기(90)의 냉각을 위해 추가로 팬(fan) 등의 냉각장치를 설치할 필요가 없게 된다. 또한, 상기 팬의 작동을 제어하기 위한 제어 로직도 필요 없으므로 시 스템의 운전이 용이해진다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명과 종래기술에 따른 연료변환장치의 운전 성능을 비교하여 보았다.
종래기술 본 발명
수증기/탄소 비 3.0 2.5
CO변성기 온도 200~280℃ 200~230℃
CO제거기 온도 100~180℃ 100~140℃
버너 연소가스 온도 150~180℃ 60~100℃
상기와 표에서 알 수 있는 바와 같이, 버너 연소가스의 배출온도가 80℃ 이상 하강하였다. 또한, CO제거기의 배출온도 즉, 연료변환장치에서 배출되는 정화가스의 온도도 40℃ 이상 감소되었다. 즉, 상기 온도차의 열량만큼 버너 연소가스와 연료변환장치에서 생성되는 가스의 폐열을 회수하여 장치의 운용에 이용한 것이며, 그에 해당하는 만큼 버너를 통한 열량 공급을 하지 않은 것이므로 장치의 효율이 향상된다.
더불어, 공급되는 반응물의 수증기/탄소 비가 0.5 감소한 2.5 정도의 낮은 값으로 운전됨으로써 전체적으로 연료변환기 효율은 5% 정도 상승한 효과가 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료변환장치의 단면도,
도 2는 연료변환장치의 전열장치 설치 상태도,
도 3은 연료변환장치의 물증발기와 CO제거기 설치 상태도,
도 4는 물증발기의 내부 구성도,
도 5는 CO제거기의 설치 상태도,
도 6은 연료변환장치의 버너 연소반응물예열기와 스택오프가스예열기 설치 상태도,
도 7은 물증발기 수증기배출구의 다른 연결 상태도,
도 8은 물증발기 수증기배출구의 또 다른 연결 상태도,
도 9는 연료변환장치의 물예열기 설치 상태도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 개질기 11 : 개질가스출구
12 : 열회수층 20 : 버너
21 : 전열격벽 22 : 연소가스배출통로
30 : 3중관열교환기 31 : 내측관
32 : 중간관 33 : 외측관
34 : 최외측관 40 : 단열재
50 : CO변성기 51 : 전단반응기
52 : 후단반응기 53 : 변성가스배출구
60 : 2중관열교환기 61 : 내측관
62 : 외측관 63 : 반응물유입구
70,71 : 전열장치 80 : 물증발기
81 : 물공급구 82 : 수증기배출구
83 : 구획판 84 : 차단판
85 : 타공판 90 : CO제거기
100 : 연소반응물예열기 110 : 스택오프가스예열기
120 : 물예열기

Claims (30)

  1. 개질가스배출구가 상부 정점에 형성된 돔형 개질기와;
    상기 개질기의 외주를 둘러싸는 열회수층과;
    상기 개질기의 내측 공간에 설치된 버너와;
    상기 개질기의 내주면에 근접 설치되어 연소가스배출통로를 형성하는 전열격벽과;
    상기 열회수층의 외측에 설치되고, 상기 열회수층에 연결되어 개질가스가 배출되는 내측관과, 상기 개질기의 하단에 연결되어 반응물이 투입되는 중간관과, 상기 연소가스배출통로에 연결되어 버너 연소가스가 배출되는 외측관으로 이루어진 3중관열교환기와;
    상기 열회수층을 둘러쌈과 더불어 내부 공간을 상부공간과 하부공간으로 구획하는 단열재와;
    상기 상부공간에 설치된 CO변성기;
    를 포함하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 CO변성기는 원통형의 전단반응기와, 그 내부에 삽입되는 후단반응기로 이루어지고, 상기 전단반응기에 상기 3중관열교환기의 내측관이 연결되며, 상기 전단반응기와 후단반응기의 하단이 연결되고, 상기 후단반응기의 상단에 변성가스배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변 환장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 CO변성기의 촉매는 운전온도 200~280℃ 범위에서 연속 사용이 가능한 촉매인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 전단반응기와 후단반응기의 사이에 내측관과 외측관으로 이루어진 2중관열교환기가 밀착상태로 삽입되고, 상기 내측관과 외측관의 하단은 상호 연결되며, 상기 내측관의 상단에 반응물유입구가 형성되고, 상기 외측관의 상단이 상기 3중관열교환기의 중간관과 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 3중관열교환기의 외측관 상단에는 연소가스배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 3중관열교환기와 2중관열교환기의 관들을 통과하는 유체는 인접한 관의 관을 통과하는 유체와 상호 역류관계를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 열회수층에 전열성능의 증대를 위하여 세라믹재질의 전열물질이 충진된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  8. 청구항 4에 있어서, 상기 3중관열교환기와 2중관열교환기의 내부에 ss-wool(stainless steel wool) 재질의 전열물질이 충진된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 개질기의 하단과 3중관열교환기의 중간관의 하단 사이에 확산층이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 버너의 화염이 확산층과 개질기 촉매층의 경계에 위치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 개질기의 촉매층이 하부의 저온촉매층과 상부의 고온촉매층으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 저온촉매층은 탄소 석출을 방지하기 위한 소량의 전처리 촉매층이고, 상기 고온촉매층은 다량의 주 개질반응층으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  13. 청구항 11에 있어서, 버너 화염은 상기 저온촉매층과 고온촉매층의 사이에 위치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  14. 청구항 2에 있어서, 상기 3중관열교환기와 CO변성기의 전단반응기 사이에 전열장치가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  15. 청구항 4에 있어서, 상기 2중관열교환기의 내측관과 외측관의 사이에 전열장치가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  16. 청구항 1에 있어서, 상기 3중관열교환기 외측관의 반경방향 외측에 상기 외측관과 상호 상단부가 연결된 최외측관이 설치되고, 상기 최외측관의 외주면에 물증발기가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 물증발기는 하단에 물공급구가 형성되고, 상단에 수증기배출구가 형성되며, 그 수증기배출구가 3중관열교환기 중간관의 중간 부분에 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  18. 청구항 16에 있어서, 상기 물증발기의 내부에는 다수의 층상 유로를 형성하는 구획판들이 설치되고, 이들 구획판들을 상하방향으로 가로지르는 차단판이 설치되며, 상기 차단판을 중심으로 각 구획판에 좌우 반복하여 이동통로가 형성되어, 복층구조의 순환유로가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 물증발기와 밀착된 최외측관의 내부가 상기 물증발기와 동일한 구조로 이루어지고, 그 내부를 흐르는 버너 연소가스와 물증발기의 수증기가 역류관계를 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  20. 청구항 16에 있어서, 상기 물증발기와 상기 최외측관의 내부에 ss-wool 재질의 전열물질이 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  21. 청구항 18에 있어서, 상기 차단판 양측의 상기 이동통로 외측부에 타공판이 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  22. 청구항 16에 있어서, 상기 3중관열교환기의 중간관의 외주면에 접하여 CO제거기가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  23. 청구항 22에 있어서, 상기 CO제거기는 원통형의 장치로서, 상단에 형성된 변성가스유입구가 상기 후단반응기의 변성가스배출구에 연결되고, 하단에 형성된 정화가스배출구가 스택의 연료극에 연결되며, 상기 변성가스유입구의 이전 부분에 공기유입구가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  24. 청구항 22에 있어서, 상기 CO제거기의 내부에 원주방향을 따라 상단부착배플 과 하단부착배플이 반복 설치되어 상하 왕복 경로가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  25. 청구항 16에 있어서, 상기 물증발기가 최외측관의 외주면 상부에 설치되고, 하부에는 버너로 공급되는 공기와 연료가스를 예열하는 연소반응물예열기가 설치되며, 상기 최외측관의 내주면에 스택의 연료극에서 배출된 오프가스를 예열하는 스택오프가스예열기가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  26. 청구항 25에 있어서, 상기 연소반응물예열기와 스택오프가스예열기의 내부는 상기 물증발기와 동일한 구조로 이루어지고, 그 내부 유동은 상기 최외측관의 버너 연소가스의 유동과 역류관계를 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  27. 청구항 16에 있어서, 상기 물증발기의 수증기배출구가 2중관열교환기 내측관의 반응물유입구로 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  28. 청구항 16에 있어서, 상기 물증발기의 수증기배출구가 상기 중간관의 상단에 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  29. 청구항 22에 있어서, 상기 CO변성기 후단반응기의 변성가스배출구와 상기 CO 제거기의 변성가스유입구 사이의 변성가스 공급통로상에 물예열기가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
  30. 청구항 29에 있어서, 상기 물예열기의 물배출관이 상기 물증발기의 물공급구에 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 연료변환장치.
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