KR20100012038A - 연료 처리 장치 - Google Patents

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카즈야 시마
미유키 요시모토
마사야스 미야자키
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파나소닉 주식회사
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Abstract

일산화탄소 및 물을 포함한 수소리치 가스를 생성하는 개질부와; 상기 수소리치 가스중의 일산화탄소와 물을 반응시켜, 저농도의 일산화탄소를 포함한 수소리치 가스를 생성하는 변성부와; 상기 저농도의 일산화탄소를 포함한 수소리치 가스와 산소를 포함한 공기를 혼합하여, 혼합 가스를 생성하는 혼합 유로와; 상기 혼합 유로의 상류단과 접속되어, 상기 혼합 유로에 공기를 공급하는 공기 공급부와; 상기 혼합 유로의 하류단과 접속되어, 상기 혼합 가스중의 일산화탄소와 산소를 반응시켜, 연료 가스를 생성하는 선택 산화부를 가지는 연료 전지용의 연료 처리 장치로서, 상기 혼합 유로는, 상류측의 가스 공급 영역과 하류측의 가스 확산 영역으로 되어 있으며, 또한 상기 가스 공급 영역과 상기 변성부를 접속하는 2 이상의 가스 공급구를 가지며, 상기 가스 확산 영역의 길이는 상기 가스 공급 영역 길이의 0.5~2배인, 연료 처리 장치.

Description

연료 처리 장치{Fuel Processor}
본 발명은 연료 전지용 연료 가스를 생성하는 연료 처리 장치에 관한 것이다.
가정용 코제네레이션(cogeneration) 시스템 등의 연료 전지 시스템은, 수소를 포함하는 연료 가스를 생성하는 연료 처리 장치와, 연료 처리 장치에서 생성된 연료 가스를 이용해서 발전하는 연료 전지를 가진다.
연료 처리 장치는, 수증기 및 탄화수소계 연료등의 원료 가스로부터 수증기 개질 반응에 의해 수소를 주성분으로 하는 수소리치(rich) 가스를 생성하는 개질부와, 연료 전지의 촉매에 대해서 피독(被毒)이 있는 일산화탄소를 수소리치 가스 중으로부터 제거하는 일산화탄소 제거부를 가진다.
일산화탄소 제거부는, 또, CO 변성 촉매에 의한 쉬프트 반응에 의해 수소리치 가스중의 일산화탄소 농도를 0.5% 정도까지 저하시키는 변성부와, CO 선택 산화 촉매에 의한 선택 산화 반응에 의해, 수소리치 가스중의 일산화탄소 농도를 다시 10 ppm 이하 정도까지 저하시키는 선택산화부와, 변성부와 선택 산화부를 접속하는 혼합 유로를 가진다. 혼합 유로는 변성부로부터 배출된 수소리치 가스와 공기를 혼합시키기 위한 유로이다. 혼합 유로내에서 수소리치 가스와 공기를 혼합시키려 면, 수소리치 가스가 흐르는 혼합 유로에 공기를 공급하는 방법이 알려져 있다(예를 들면 특허 문헌 1 참조).
이미 제안되어 있는 연료 처리 장치(예를 들면 특허 문헌 1 참조)에 있어서의 혼합 유로의 단면도를 도 1의 (a) 및 (b)에 나타낸다.
도 1의 (a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이, 혼합 유로(10)는, 변성부(20)와 선택 산화부(30)를 접속한다. 혼합 유로(10)는, 또, 공기 공급관(40, 41)과 접속되어 있다. 또, 공기 공급관(40, 41)은 혼합 유로(10)의 횡단면의 중심까지 뻗어있다. 도 1의 (a) 및 (b)중의 점선 화살표는 수소리치 가스의 흐름을 나타내고, 실선 화살표는 공기의 흐름을 나타낸다.
도 1의 (a)에 나타나듯이, 수소리치 가스가 흐르는 혼합 유로(10) 내에 공기 공급관(40)을 통해 공기를 공급함으로써, 수소리치 가스와 공기를 혼합시킬 수 있다. 또, 도 1의 (b)에 나타나듯이, 수소리치 가스가 흐르는 혼합 유로(10)내에, 공기 공급관(41)의 선단에 형성된 복수의 개구부(42)를 통해 공기를 공급함으로써, 수소리치 가스와 공기를 혼합시킬 수 있다.
또, 공기 공급관이 혼합 유로(10)의 횡단면의 중심까지 뻗어 있으므로, 수소리치 가스의 유속이 빠른 혼합 유로(10)의 횡단면의 중심에 공기를 공급하여, 수소리치 가스와 공기와의 혼합을 촉진할 수 있다.
통상, 혼합 유로(10)내를 흐르는 수소리치 가스의 유량은, 공기 공급관으로부터 공급되는 공기 유량의 거의 20배 정도이다. 이와 같이, 혼합 유로내를 흐르는 수소리치 가스의 유량이 많고 공급되는 공기의 유량이 작으면, 공기의 유속이 늦어, 공기의 공급에 의해 혼합 유로내에 형성되는 소용돌이가 작다. 형성되는 소용돌이가 작으면 혼합 유로내에서 수소리치 가스와 공기가 충분히 혼합되지 않는다. 또, 공기의 유속을 빠르게 하기 위해 공기의 분출구멍을 작게 하는 것도 생각되지만, 그 경우 압력 손실이 커져 버린다.
또, 위에서 설명한 바와 같이 수소리치 가스의 유량이 많기 때문에, 도 1의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같은 수소리치 가스가 흐르는 혼합 유로에 공기를 유입시키는 방식에서는, 압력 손실이 커진다는 문제도 있다.
이와 같이, 도 1의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같은, 수소리치 가스가 흐르는 혼합 유로에 공기를 공급하는 방식에서는, 수소리치 가스와 공기의 혼합이 충분히 행해지지 않고, 또, 압력 손실이 커진다는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 공기가 흐르는 혼합 유로에 수소리치 가스를 공급하는 방식이 제안되어 있다(예를 들면 특허 문헌 2 참조). 도 2는 특허 문헌 2에 개시된 연료 처리 장치에 있어서의 혼합 유로(10)의 사시도이다.
도 2에 도시되는 바와 같이, 혼합 유로(10)는 수소리치 가스가 충전된 실(50) 내를 지나며, 복수의 가스 공급구(11)를 가진다. 가스 공급구는 혼합 유로(10)의 전체 길이에 걸쳐서 형성된다. 혼합 유로(10)의 상류단은 공기 공급부에 접속되고, 혼합 유로(10)의 하류단은 선택 산화부에 접속된다.
다음으로 도 2에 나타난 혼합 유로(10) 내에서 수소리치 가스와 공기를 혼합시키는 스텝에 대해 설명한다. 우선, 혼합 유로(10)내에 공기 공급부로부터 공기가 공급된다. 그 후, 혼합 유로에 설치된 복수의 가스 공급구(11)를 통해 혼합 유 로(10)내에 수소리치 가스가 공급된다.
도 2에 도시된 바와 같은 공기가 흐르는 혼합 유로에 수소리치 가스를 공급하는 방식의 혼합 유로에서는, 유량이 적은 공기가 흐르는 혼합 유로내에 유량이 많은 수소리치 가스를 공급하므로, 수소리치 가스는 높은 유속으로 혼합 유로내에 공급된다. 이 때문에, 도 1의 (a) 및 (b)에 나타난 혼합 유로와 비교하여, 수소리치 가스와 공기를 효율적으로 혼합할 수 있다.
[선행 기술 문헌]
[특허 문헌]
[특허 문헌 1] 일본 특허공개 2003-226504호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허공개 2004-262725호 공보
[발명이 해결하려고 하는 과제]
그렇지만, 도 2에 도시된 바와 같은 혼합 유로라 하더라도, 수소리치 가스와 공기가 충분히 혼합되지 않는다는 문제가 있다. 특히 압력 손실을 억제하기 위해 수소리치 가스의 공급량을 줄이는 경우, 도 2에 도시된 바와 같은 혼합 유로내에서는, 수소리치 가스와 공기가 충분히 혼합되지 않는다. 혼합 유로내에서의 수소리치 가스와 공기의 혼합이 충분하지 않으면, 설령 공기의 공급량을 늘렸다 하더라도 수소리치 가스중의 일산화탄소가 선택 산화부에서 산화되지 않아, 생성되는 연료 가스의 일산화탄소 농도가 높아진다. 연료 가스중의 일산화탄소 농도가 높아지면 연료 전지의 촉매가 피독된다.
본 발명의 목적은, 압력 손실이 낮고, 수소리치 가스와 공기를 효과적으로 혼합할 수 있는 혼합 유로를 가져, 일산화탄소 농도가 낮은 연료 가스를 생성할 수 있는 연료 처리 장치를 제공하는 것이다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
본 발명자는, 혼합 유로를 수소리치 가스가 공급되는 영역과, 수소리치 가스 및 공기를 확산시켜 수소리치 가스와 공기를 혼합시키기 위한 영역으로 나누고, 수소리치 가스와 공기를 혼합시키기 위한 영역의 길이를 적절하게 선택함으로써, 수소리치 가스와 공기를 충분히 혼합시킬 수 있는 것을 발견하여, 다시 검토를 더하여 발명을 완성시켰다.
즉 본 발명은, 이하에 나타내는 연료 처리 장치에 관한 것이다.
[1] 일산화탄소 및 물을 포함한 수소리치 가스를 생성하는 개질부와; 상기 수소리치 가스중의 일산화탄소와 물을 반응시켜, 저농도의 일산화탄소를 포함하는 수소리치 가스를 생성하는 변성부와; 상기 저농도의 일산화탄소를 포함하는 수소리치 가스와 산소를 포함하는 공기를 혼합시켜 혼합 가스를 생성하는 혼합 유로와; 상기 혼합 유로의 상류단과 접속되어, 상기 혼합 유로에 공기를 공급하는 공기 공급부와; 상기 혼합 유로의 하류단과 접속되어, 상기 혼합 가스중의 일산화탄소와 산소를 반응시켜 연료 가스를 생성하는 선택 산화부를 가지는 연료 전지용의 연료 처리 장치로서, 상기 혼합 유로는, 상류측의 가스 공급 영역과 하류측의 가스 확산 영역으로 되어 있으며, 또한, 상기 가스 공급 영역과 상기 변성부를 접속하는 2 이상의 가스 공급구를 가지며, 상기 가스 확산 영역의 길이는 상기 가스 공급 영역의 길이의 0.5~2배인 연료 처리 장치.
[2] 상기 2 이상의 가스 공급구는, 상기 혼합 유로의 장축을 따라 배열되고, 상기 2 이상의 가스 공급구 중 하나의 가스 공급구의 상기 혼합 유로의 원주 방향 위치와, 다른 가스 공급구의 상기 혼합 유로의 원주 방향의 위치는 다른, [1]에 기재된 연료 처리 장치.
[3] 상기 하나의 가스 공급구의 상기 혼합 유로의 원주 방향의 위치와, 다른 가스 공급구의 상기 혼합 유로의 원주 방향의 위치는 대향하는, [2]에 기재된 연료 처리 장치.
[4] 상기 가스 공급구 중 최상류측의 가스 공급구의 구경이 가장 크고, 최하류측의 가스 공급구의 구경이 가장 작은, [1]~[3]의 어느 하나에 기재된 연료 처리 장치.
[5] 상기 혼합 유로내에 설치된 2 이상의 장벽을 더 가지며, 상기 장벽은 상기 가스 공급구 부근의 혼합 유로내의 가스의 흐름의 일부를 차단하는, [1]~[4]의 어느 하나에 기재된 연료 처리 장치.
[6] 상기 가스 공급구의 구경은 상기 혼합 유로를 향해 좁혀져 있는, [1]~[5]의 어느 하나에 기재된 연료 처리 장치.
[발명의 효과]
본 발명에 의하면, 혼합 유로내에서 수소리치 가스와 공기가 충분히 혼합하므로, 선택 산화부에서 수소리치 가스내의 일산화탄소를 효율적으로 산화할 수 있다. 이 때문에 본 발명의 연료 처리 장치는 일산화탄소 농도가 낮은 연료 가스를 생성할 수 있다.
또, 공기가 흐르는 혼합 유로내에 복수의 가스 공급구를 통해 가스를 공급하기 때문에, 혼합 유로의 상류측의 유속을 낮게 억제할 수 있다. 이에 의해 한 번에 수소리치 가스를 혼합 유로에 유입시켰을 경우와 비교해서, 압력 손실을 저감할 수 있다.
도 1은 종래의 연료 처리 장치에 있어서의 혼합 유로의 단면도.
도 2는 종래의 연료 처리 장치에 있어서의 혼합 유로의 사시도.
도 3은 본 발명의 연료 처리 장치에 의해 연료 가스를 생성하는 흐름도.
도 4는 실시형태 1의 연료 처리 장치의 블록도.
도 5는 실시형태 1의 연료 처리 장치의 단면도.
도 6은 실시형태 1의 혼합 유로의 단면도.
도 7은 실시형태 2의 혼합 유로를 나타내는 도면.
도 8은 실시형태 3의 혼합 유로를 나타내는 도면.
도 9는 실시형태 4의 혼합 유로의 단면도.
도 10은 실시형태 5의 혼합 유로의 단면도.
도 11은 실시형태 6의 혼합 유로의 단면도.
도 12는 실시예에서 해석한 혼합 유로의 형상을 나타내는 도면.
[도 13은 실시예의 해석 결과를 나타내는 도면.
[부호의 설명]
1 연소부 2 증발부
3 개질부 4 변성부
5 선택 산화부 6 연료 전지 스택
100, 200, 300, 400, 500, 600 혼합 유로
101 공기 유입구
110, 210, 310, 410, 510, 610 가스 공급 영역
120 가스 확산 영역
111, 211, 311, 411, 511, 611 제 1 가스 공급구
112, 212, 312, 412, 512, 612 제 2 가스 공급구
213, 313 제 3 가스 공급구 214 제 4 가스 공급구
401 장벽
본 발명의 연료 처리 장치는, 탄화계 연료 또는 알코올을 포함하는 원료 가스와 수증기를 수증기 개질 반응시켜 연료 전지용 연료 가스를 생성하기 위한 장치이다.
본 발명의 연료 처리 장치는, 연소부, 증발부, 개질부, 변성부, 공기 공급부, 혼합 유로 및 선택 산화부를 가진다.
연소부는 개질부 및 증발부를 가열하기 위한 기구이다. 연소부는 화염을 형성할 수 있기만 하면 특히 한정되지 않으며, 예를 들면 버너이다.
증발부는, 물을 증발시켜 수증기를 생성하여, 원료 가스와 수증기를 혼합하 기 위한 기구이다. 증발부는, 연소부, 개질부, 변성부 및 선택 산화부와 열교환하여, 물을 증발시켜 수증기를 생성한다. 생성된 수증기는 증발부에서 원료 가스와 혼합된다.
개질부는, 루테늄계나 니켈계의 촉매를 포함하고, 증발부로부터 공급되는 원료 가스와 수증기로부터, 수증기 개질 반응에 의해 수소리치 가스를 생성하기 위한 기구이다. 또, 개질부에서 생성되는 수소리치 가스는 일산화탄소 및 수증기를 포함한다. 개질부에서 생성된 수소리치 가스의 일산화탄소 농도는, 예를 들면 7~13%이다.
변성부는, 개질부에서 생성된 수소리치 가스로부터 저농도의 일산화탄소를 포함한 수소리치 가스를 생성하기 위한 기구이다. 변성부는, 백금계나 동·아연계의 촉매를 포함하여, 개질부에서 생성된 수소리치 가스중의 일산화탄소와 물로부터, 쉬프트 반응에 의해 이산화탄소 및 수소를 생성한다. 여기서 '일산화탄소의 농도가 낮다'라는 것은 일산화탄소의 농도가 0.5% 이하임을 의미한다.
혼합 유로는, 변성부에서 생성된 일산화탄소 농도가 낮은 수소리치 가스와 공기를 혼합시켜, 혼합 가스를 생성하기 위한 유로이다. 혼합 유로는, 예를 들면 원형 관 또는 사각형 관에 의해 구성되는 영역이다. 혼합 유로는, 원형 관에 의해 구성된 관 형상의 영역인 것이 바람직하다. 혼합 유로의 상류단은 혼합 유로에 공기를 공급하는 공기 공급부와 접속되어 있다. 공기 공급부는, 예를 들면 펌프 등이다. 혼합 유로의 하류단은 후술하는 선택 산화부에 접속되어 있다.
본 발명의 혼합 유로는, 미리 공기가 흐르고 있는 혼합 유로내에 가스 공급 구를 통해 수소리치 가스를 공급함으로써, 수소리치 가스와 공기를 혼합시키는 방식을 채용한다. 따라서, 본 발명의 혼합 유로는 변성부와 접속된 복수의 가스 공급구를 가진다. 변성부를 통과한 수소리치 가스는 복수의 가스 공급구를 통해 혼합 유로내에 공급된다. 가스 공급구의 구조에 대해서는 후술한다.
선택 산화부는, 혼합 유로에서 생성된 혼합 가스중의 일산화탄소와 산소를 반응시켜, 연료 가스를 생성하기 위한 기구이다. 선택 산화부에서는, 변성부에서 반응하지 않고 남은 혼합 가스중의 일산화탄소가 산소에 의해 산화되어 이산화탄소가 된다. 이에 의해, 혼합 가스중의 일산화탄소 농도는 10 ppm 이하로 되어 연료 가스가 생성된다.
이러한 구성을 가지는 연료 처리 장치는, 연료 전지 스택을 포함하는 가정용 코제네레이션 시스템 등의 연료 전지 시스템 등에 적용될 수 있다. 이러한 가정용 코제네레이션 시스템에서는, 연료 전지 스택의 애노드로부터의 오프 가스는 응축기에 의해 수분이 제거되어, 재차 연료 처리 장치로 도입되어 연소부의 연료로서 사용되어도 좋다. 또, 애노드로부터의 오프 가스는 개질부와 열교환해도 좋다.
다음에 본 발명의 연료 처리 장치에 의해 연료 가스가 생성되는 흐름에 대해서, 도 3을 참조하면서 설명한다.
우선 증발부에 물과 원료 가스인 메탄을 공급한다. 증발부에 물과 원료 가스를 공급하면 물은 증발부 내에서 가열되어 수증기가 된다. 수증기와 원료 가스는 증발부 내에서 혼합된다(S1000).
그 후, 원료 가스 및 수증기는 개질부에 유입된다. 개질부에서는 이하의 수 증기 개질 반응에 의해 원료 가스 및 수증기로부터 일산화탄소를 포함한 수소리치 가스가 생성된다(S1001). 또, 수소리치 가스에는 미반응 수증기가 포함된다.
CH4+H2O → CO+3H2
개질부에서 생성된 수소리치 가스는 변성부에 유입된다. 변성부에서는, 이하의 쉬프트 반응에 의해 개질부에서 생성된 수소리치 가스로부터, 저농도 일산화탄소를 포함한 수소리치 가스가 생성된다(S1002).
CO+H2O → CO2+H2
변성부에서 생성된 저농도 일산화탄소를 포함한 수소리치 가스는, 미리 공기 공급부로부터 공급된 공기가 흐르고 있는 혼합 유로에 가스 공급구를 통해 유입된다. 혼합 유로내에서는, 저농도 일산화탄소를 포함한 수소리치 가스와 공기가 혼합되어 혼합 가스가 생성된다(S1003).
혼합 유로에서 생성된 혼합 가스는 선택 산화부에 유입된다. 선택 산화부에서는, 혼합 가스중의 산소와 변성부에서 산화되지 않았던 일산화탄소가 반응하여 일산화탄소가 산화되어, 혼합 가스에 있어서의 일산화탄소 농도가 10 ppm 이하까지 저감된다(S1004). 선택 산화부를 통과한 가스는 연료 가스로서 추출된다.
이와 같이 생성된 연료 가스는, 선택 산화부로부터 유출되어 연료 전지에 공급된다. 연료 전지는, 연료 가스중의 수소와, 공기 등 산소를 포함한 산화 가스를 이용하여 발전한다.
상술한 바와 같이, 스텝 S1003에서는, 변성부를 통과한 후의 수소리치 가스 와 공기가 혼합 유로내에서 혼합되어 혼합 가스가 생성된다. 그런데, 공기가 흐르는 혼합 유로에 수소리치 가스를 유입시키는 방식(도 2 참조)에서는, 혼합 유로내에서 수소리치 가스와 공기가 충분히 혼합되지 않는 경우가 있다. 수소리치 가스와 공기가 충분히 혼합되지 않은 채 선택 산화부에 유입되면, 수소리치 가스중의 일산화탄소가 충분히 산화되지 않아 연료 가스의 일산화탄소 농도가 높아진다.
본 발명의 연료 처리 장치는, 수소리치 가스와 공기를 혼합 유로내에서 충분히 혼합시킬 수 있음을 특징으로 한다. 구체적으로, 본 발명에서는, 혼합 유로가 상류측의 가스 공급 영역과 하류측의 가스 확산 영역으로 되어 있으며; 또 가스 공급 영역과 변성부를 접속하는 가스 공급구를 가진다. 즉, 본 발명에서는 가스 공급 영역은 가스 공급구를 경유하여 변성부와 접속되며, 가스 확산 영역은 가스 공급구를 갖지 않는다.
가스 공급 영역은, 혼합 유로 중 수소리치 가스가 공급되는 영역이다. 가스 공급 영역은 복수의 가스 공급구에 의해 변성부와 접속되어 있다. 따라서, 변성부에서 생성된 저농도 일산화탄소를 포함한 수소리치 가스는, 가스 공급구를 지나 혼합 유로의 가스 공급 영역내로 유입한다.
가스 공급구의 수는 특히 한정되지 않지만, 예를 들면 2~6이다. 또, 가스 공급구의 구경은 혼합 유로의 길이 및 직경에 의해 적절하게 선택될 수 있는데, 예를 들면 2~5 mm이다. 가스 공급구는, 혼합 유로의 장축을 따라 소정의 간격마다 배열되어 있는 것이 바람직하다. 또, 각각의 가스 공급구의 혼합 유로의 원주 방향 위치는 동일해도 좋고(실시형태 1 참조), 달라도 좋다(실시형태 2 참조).
각각의 가스 공급구의 혼합 유로의 원주 방향의 위치가 다를 경우, 하나의 가스 공급구의 혼합 유로의 원주 방향의 위치는 다른 가스 공급구의 혼합 유로의 원주 방향의 위치와 대향하는 것이 바람직하다(실시형태 2 참조). 각각의 가스 공급구의 혼합 유로의 원주 방향의 위치를 달리함으로써, 수소리치 가스와 공기의 교반을 촉진할 수 있다.
또, 최상류측 가스 공급구의 구경이 최대이고, 최하류측 가스 공급구의 구경이 최소인 것이 바람직하다(실시형태 3 참조). 보다 구체적으로는, 가스 공급구의 구경은, 혼합 유로를 흐르는 가스의 방향을 따라 서서히 작아지는 것이 바람직하다.
가스 확산 영역은, 가스 공급구를 가지지 않고, 수소리치 가스와 공기가 확산 효과에 의해 균일하게 혼합되기 위한 시간을 확보하기 위한 영역이다. 따라서, 가스 확산 영역은, 가스 공급 영역을 통과한 수소리치 가스 및 공기가 선택 산화부에 도달하기까지에 일정시간을 필요로 하도록 설계되어 있다. 이에 의해, 가스 공급 영역을 통과한 수소리치 가스 및 공기는, 가스 확산 영역을 흐르는 과정에서 확산 효과에 의해 충분히 혼합된다.
구체적으로는, 가스 공급 영역을 통과한 수소리치 가스 및 공기가 선택 산화부에 도달하기까지에 일정시간을 필요로 하도록, 가스 확산 영역은 일정량의 체적을 가진다. 가스 확산 영역의 체적을 확보하기 위해서는, 가스 확산 영역의 길이를 조절해도 좋고, 가스 확산 영역의 직경을 조절해도 좋지만, 가스 확산 영역의 길이를 조절하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 가스 확산 영역의 직경을 크게 함 으로써 가스 확산 영역의 체적을 조절한 경우, 가스 확산 영역의 혼합 유로를 흐르는 수소리치 가스 및 공기의 유속이 늦어져 수소리치 가스와 공기가 혼합되기 어렵게 된다.
가스 확산 영역의 길이를 조절하는 경우, 가스 확산 영역의 길이는 가스의 성질이나 혼합 유로의 직경 등에 따라 적절하게 선택되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 혼합 유로의 직경을 D(m)라 하고, 가스 확산 영역내를 흐르는 가스(수소리치 가스 및 공기)의 유속(m/초)을 U라 하고, 가스가 1 m 확산하기 위해 필요한 시간(초/m)을 t라고 했을 때, 가스 확산 영역의 길이 L는 이하의 식으로 정의되는 것이 바람직하다.
L = U×D×t
이와 같은 식을 만족시키는 가스 확산 영역의 길이는, 통상, 가스 공급 영역의 길이의 0.5~2배이다.
가스 확산 영역의 길이가 가스 공급 영역의 길이의 0.5배 이하였을 경우, 가스 확산 영역내에서 수소리치 가스와 공기가 충분히 혼합되지 않을 수 있다. 한편, 가스 확산 영역의 길이가 가스 공급 영역의 길이의 2배 이상이었을 경우, 장치 크기가 너무 커진다. 또, 가스 확산 영역의 길이가 가스 공급 영역 길이의 2배 이상이었을 경우, 혼합 가스의 온도가 떨어져 선택 산화부에서 일산화탄소의 산화 반응이 불충분해질 우려도 있다. 또, 가스 확산 영역의 길이가 가스 공급 영역의 길이의 2배 이상이었을 경우, 압력 손실이 커진다.
즉 본 발명의 연료 처리 장치에서는, 변성부에서 생성된 일산화탄소 농도가 낮은 수소리치 가스는, 1) 가스 공급구를 통해 공기가 흐르는 가스 공급 영역으로 유입되어, 거기서 수소리치 가스와 공기가 어느 정도 교반되고, 2) 가스 확산 영역을 지나는 과정에서 수소리치 가스와 공기가 확산 효과에 의해 충분히 혼합되어 혼합 가스가 생성된다. 생성된 혼합 가스는 선택 산화부에 유입된다.
이와 같이, 본 발명에서는 수소리치 가스 및 공기가 가스 공급구를 갖지 않는 가스 확산 영역을 지나므로, 만약 가스 공급 영역내에서의 수소리치 가스와 공기와의 혼합이 불충분했다 하더라도, 가스 확산 영역을 통과하는 과정에서 충분히 혼합되어 혼합 가스가 생성된다.
이와 같이, 혼합 유로를 가스 공급 영역과 가스 확산 영역으로 나누고; 가스 확산 영역의 길이를 가스 공급 영역의 길이의 0.5~2배로 함으로써; 혼합 유로내에서 수소리치 가스와 공기가 충분히 혼합될 수 있고, 수소리치 가스와 공기와의 비율이 균일한 혼합 가스를 선택 산화부에 공급할 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 연료 처리 장치는, 연료 전지의 운전 상황에 따라 생성되는 수소리치 가스 및 공급되는 공기의 양이 변동하는 경우에 있어서도 안정적으로 연료 가스를 공급할 수 있다.
또, 공기가 흐르는 혼합 유로내에 복수의 가스 공급구를 통해 가스를 공급하기 때문에, 혼합 유로의 상류측의 유속을 낮게 억제할 수 있다. 이에 의해 1개의 공급구만으로부터 수소리치 가스를 혼합 유로에 유입시켰을 경우와 비교해, 압력 손실을 저감할 수 있다(실시형태 1 참조).
이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.
(실시형태 1)
도 4는 실시형태 1의 연료 처리 장치의 모식도를 나타내고, 도 5는 실시형태 1의 연료 처리 장치의 단면도를 나타낸다. 도 4에 있어서의 사선 화살표는 열에너지의 움직임을 나타내고, 도 4 및 도 5에 있어서의 실선 화살표는 가스(원료 가스, 수증기 또는 수소리치 가스)의 흐름을 나타낸다.
도 4 및 도 5에 도시되는 바와 같이, 실시형태 1의 연료 처리 장치는, 연소부(1)와, 증발부(2)와, 개질부(3)와, 변성부(4)와, 혼합 유로(100)와, 선택 산화부(5)를 가진다.
또, 도 4에 도시되는 바와 같이, 연료 처리 장치는, 연료 전지 스택(6)과 접속되어도 좋다. 연료 처리 장치가 연료 전지 스택(6)과 접속되어 있을 경우, 선택 산화부(5)에서 생성된 연료 가스가 연료 전지 스택(6)의 애노드에 공급되고, 연료 전지 스택(6)의 애노드의 오프 가스가 응축기(도시하지 않음)를 거쳐 연소부(1)에 공급된다.
실시형태 1의 연료 처리 장치는 혼합 유로(100)의 구성에 특징을 가진다. 이하, 혼합 유로(100)의 구성에 대해 상세하게 설명한다.
도 6은, 도 5에 나타낸 연료 처리 장치의 혼합 유로(100)의 확대도이다. 혼합 유로(100)의 전체 길이는, 예를 들면 100~200 mm이다. 또, 혼합 유로(100)의 직경은 연료 전지 시스템의 출력에 따라 적절하게 선택된다. 예를 들면 연료 전지 시스템의 출력이 750 W이었을 경우, 혼합 유로(100)의 단면의 면적은 12~50 mm2이 다. 도 6에 도시되는 바와 같이, 혼합 유로(100)는 가스 공급 영역(110)과 가스 확산 영역(120)으로 되어 있다.
가스 공급 영역(110)의 길이는, 예를 들면 50~100 mm이다. 가스 확산 영역(120)의 길이는, 예를 들면 50~100 mm이다. 이와 같이 가스 확산 영역(120)의 길이를 가스 공급 영역(110) 길이의 0.5~2배로 함으로써, 혼합 유로(100)내에서 수소리치 가스와 공기를 충분히 혼합시킬 수 있다(후술).
가스 공급 영역(110)은, 공기 유입구(101)와 접속되며, 제1 가스 공급구(111) 및 제2 가스 공급구(112)를 가진다. 공기 유입구(101)와 제1 가스 공급구(111)의 간격과; 제1 가스 공급구(111)와 제2 가스 공급구(112)의 간격과; 제2 가스 공급구(112)와 가스 공급 영역(110)의 하류단 간의 간격은 동일하다. 한편, 가스 확산 영역(120)은 가스 공급구를 갖지 않는다. 가스 공급구의 면적은 연료 전지 시스템의 출력이 750 w이었을 경우, 예를 들면 12~40 mm2이다.
다음으로 혼합 유로(100)를 흐르는 수소리치 가스 및 공기의 움직임에 대해서 설명한다. 도 6중의 화살표는 공기 및 수소리치 가스의 흐름을 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이 가스 공급 영역(110)에는 미리 공기 유입구(101)로부터 공급된 공기가 흐르고 있다. 또, 변성부(4)를 통과한 수소리치 가스가 제1 가스 공급구(111) 및 제2 가스 공급구(112)를 지나 가스 공급 영역(110)에 유입된다. 수소리치 가스의 유량은 공기 유량의 거의 20배이다.
이와 같이, 본 실시형태에서는 유량이 적은 공기가 흐르는 가스 공급 영 역(110)내에 유량이 많은 수소리치 가스가 가스 공급 구멍을 통해 유입하므로, 수소리치 가스의 유입 속도가 빨라져, 유입된 수소리치 가스가 가스 공급 영역(110)내에 소용돌이를 발생시켜, 가스 공급 영역(110)내의 수소리치 가스와 공기와의 교반을 촉진할 수 있다.
가스 공급 영역(110)에서 어느 정도 교반된 수소리치 가스와 공기는, 가스 확산 영역(120)에 유입된다. 가스 확산 영역(120)의 길이는 수소리치 가스와 공기가 확산 효과에 의해 충분히 혼합되는 시간을 확보할 수 있도록 설정되어 있다. 따라서, 수소리치 가스와 공기는 가스 확산 영역(120)을 흐르는 과정에서 확산 효과에 의해 충분히 혼합된다.
이와 같이 본 실시형태에 의하면, 혼합 유로를 가스 공급 영역과 가스 확산 영역으로 나누고, 가스 확산 영역의 길이를 가스 공급 영역의 길이의 약 0.5~2배로 함으로써, 혼합 유로내에서 수소리치 가스와 공기를 충분히 혼합시킬 수 있다. 이에 의해, 수소리치 가스와 공기의 비율이 균일한 혼합 가스를 선택 산화부로 공급할 수 있다.
또, 수소리치 가스의 가스 공급구를 2개 설치함으로써, 수소리치 가스의 가스 공급구가 1개였던 경우와 비교하여 압력 손실을 저감할 수 있다. 이하, 가스 공급구를 2개 설치하는 것과 압력 손실을 저감하는 것의 관계에 대해서 설명한다.
가스 공급 영역(110) 전체의 압력 손실 P는, 공기 유입구(101)로부터 제1 가스 공급구(111) 사이의 압력 손실을 P0라고 하고; 제1 가스 공급구(111)와 제2 가스 공급구 사이의 압력 손실을 P1라고 하고; 제2 가스 공급구(112)와 가스 공급 영 역(110)의 하류단 사이의 압력 손실을 P2라고 했을 때, 하기 수학식 (1)과 같이 정의된다.
P = P0+P1+P2 (1)
압력 손실은, 층류(層流)의 경우 가스의 유량에 비례한다. 따라서, 공기 유입구(101)로부터 제1 가스 공급구(111) 사이의 가스 유량을 Q0라고 하고; 제1 가스 공급구(111)와 제2 가스 공급구 사이의 가스 유량을 Q1라고 하고; 제2 가스 공급구(112)와 가스 공급 영역(110)의 하류단 사이의 가스 유량을 Q2라고 하고; 제1 가스 공급구와 제2 가스 공급구로부터 균등량의 수소리치 가스가 공급된다고 가정했을 때, 각 압력 손실(P0, P1, P2)은, 아래 수학식 (2)와 같이 정의된다.
P0 = α×Q0×L
P1 = β×Q1×L
P2 = β×Q2×L
Q2 = 2×Q1+Q0 (2)
여기서, L은 가스 공급 영역(110)의 전체 길이의 1/3의 길이, α 및 β는 가스의 점성 및 유로폭의 함수를 의미한다. 상술한 바와 같이, 공기의 유량은 수소리치 가스의 유량의 1/20 정도이기 때문에 0으로 근사해도 좋다. 따라서 가스의 유량은 하기 수학식 (3)과 같이 정의할 수 있다.
Q0 ≒ 0
Q2 = 2×Q1 (3)
따라서, 가스 공급 영역(110)이 가스 공급구를 2개 가지는 경우의 가스 공급 영역(110)의 압력 손실 P는 하기 수학식 (4)와 같이 정의할 수 있다.
P = 3×βQ1×L (4)
한편, 가스 공급 영역(110)이 제2 가스 공급구(112)를 가지지 않고; 제1 가스 공급구(111)만으로부터 수소리치 가스를 공급했을 경우, 제1 가스 공급구(111)로부터 하류의 가스 공급 영역(110)내의 가스 유량은 일정하게 된다. 그 때문에, 가스 공급 영역(110)내의 압력 손실 P＇는 하기 수학식 (5)와 같이 정의된다.
P0 = α×Q0×L
P1 = β×2Q1×L
P2 = β×2Q1×L
P＇= P0+P1+P2 (5)
따라서, 가스 공급구가 1개일 경우, 가스 공급 영역(110)내의 압력 손실 P＇는 하기 수학식 (6)과 같이 정의된다.
P＇= 4×βQ1×L (6)
수학식 (4) 및 수학식 (6)에 의해, 가스 공급구를 2개 설치했을 경우, 가스 공급구가 1개뿐인 경우보다도 압력 손실을 약 3/4배로 할 수 있다. 또, 가스 공급구가 혼합 유로의 흐름을 따라 등간격으로 배열되어 있을 경우, 가스 공급구의 수를 늘림으로써 압력 손실을 더욱 저감할 수 있다.
따라서, 실시형태 1에 기재된 연료 처리 장치를 이용함으로써, 낮은 압력 손실로 수소리치 가스와 공기를 혼합시킬 수 있다.
(실시형태 2)
실시형태 1에서는, 각 가스 공급구의 혼합 유로의 원주 방향의 위치가 동일한 형태에 대해서 설명했다. 실시형태 2에서는, 각 가스 공급구의 혼합 유로의 원주 방향의 위치가 다른 형태에 대해서 설명한다.
실시형태 2의 연료 처리 장치에서는, 가스 공급 영역의 가스 공급구의 배열 패턴이 다른 것 외에는, 실시형태 1의 연료 처리 장치와 동일하다. 따라서, 실시형태 2에서는 혼합 유로 중 가스 공급 영역에 대해서만 설명한다.
도 7의 (a)는, 실시형태 2의 혼합 유로(200) 중 가스 공급 영역(210)의 사시도이다. 도 7의 (a)에 나타나는 바와 같이 가스 공급 영역(210)은, 공기 유입구(101)와 접속되며, 제1 가스 공급구(211), 제2 가스 공급구(212), 제3 가스 공급구(213) 및 제4 가스 공급구(214)를 가진다. 각 가스 공급구의 혼합 유로(200)의 원주 방향의 위치는 각각 다르다. 또, 제1 가스 공급구(211)와 제2 가스 공급구(212)의 혼합 유로(200)의 원주 방향 간격과; 제2 가스 공급구(212)와 제3 가스 공급구(213)의 혼합 유로(200)의 원주 방향 간격과; 제3 가스 공급구(213)와 제4 가스 공급구(214)의 혼합 유로(200)의 원주 방향 간격은 동일한 것이 바람직하다.
또, 제1 가스 공급구(211)의 혼합 유로(200)의 원주 방향 위치와 제3 가스 공급구(213)의 혼합 유로(200)의 원주 방향 위치는 대향하고 있으며; 또, 제2 가스 공급구(212)의 혼합 유로(200)의 원주 방향 위치와 제4 가스 공급구(214)의 혼합 유로(200)의 원주 방향 위치는 대향하고 있다.
다음으로 가스 공급 영역(210)에 있어서의 공기 및 수소리치 가스의 움직임에 대해서 설명한다. 도 7의 (b)는 도 7의 (a)에 나타낸 가스 공급 영역(210)의 혼합 유로(200)의 A-A선 단면도이다. 도 7의 (b)중의 화살표는 공기 및 수소리치 가스의 흐름을 나타낸다.
도 7의 (b)에 도시되는 바와 같이, 가스 공급 영역(210)에는 미리 공기 유입구(101)로부터 공급된 공기가 흐르고 있다. 또, 변성부(4)를 통과한 수소리치 가스가 제1 가스 공급구(211) 및 제3 가스 공급구(213)를 통해 가스 공급 영역(210)에 유입된다.
위에서 설명한 바와 같이 본 실시형태에서는, 각 가스 공급구의 혼합 유로(200)의 원주 방향 위치가 각각 다르다. 이에 의해, 가스 공급 영역(210)내에서 수소리치 가스와 공기의 교반을 촉진할 수 있다. 이하, 각 가스 공급구의 혼합 유로(200)의 원주 방향 위치가 각각 다른 것과, 가스 공급 영역(210)내에서 수소리치 가스와 공기와의 교반이 촉진되는 것의 관계에 대해서 설명한다.
도 7의 (b)에 도시되는 바와 같이, 공기 유입구(101)를 통해 공급된 공기 A1은, 제1 가스 공급구(211)를 통해 유입한 수소리치 가스 H1과 교반된다. 한편, 혼합 유로(200)의 벽면 중 제 1 가스 공급구(211)와 대향하는 벽면측을 흐르는 공기 A2는, 수소리치 가스 H1과 교반되는 일없이, 제1 가스 공급구(211)가 형성된 영역을 통과해 버릴 수 있다. 특히 수소리치 가스의 공급량이 적어 수소리치 가스의 유입 속도가 늦은 경우, 공기 A2는 수소리치 가스 H1와 교반되는 일 없이 통과하기 쉽다.
그러나, 본 실시형태에서는, 제3 가스 공급구(213)가 혼합 유로(200)의 벽면 중 제 1 가스 공급구(211)와 대향하는 벽면 측에 배치되어 있다. 이 때문에, 수소 리치 가스 H1과 혼합되지 않고 통과한 공기 A2는 제3 가스 공급구(213)를 통해 유입한 수소리치 가스 H2와 교반된다.
이와 같이, 본 실시형태에서는, 각 가스 공급구의 혼합 유로의 원주 방향 위치를 달리함으로써, 설령 수소리치 가스의 유량이 적은 경우라 하더라도, 가스 공급 영역내에 있어서의 수소리치 가스와 공기의 교반을 촉진할 수 있다.
(실시형태 3)
실시형태 1 및 실시형태 2에서는, 각 가스 공급구의 구경이 모두 동일한 형태에 대해 설명했다. 실시형태 3에서는 가스 공급구의 구경이 다른 형태에 대해 설명한다.
실시형태 3의 연료 처리 장치에서는, 가스 공급 영역의 가스 공급구의 배열 패턴이 다른 것 외에는, 실시형태 1의 연료 처리 장치와 동일하다. 따라서, 실시형태 3에서는 혼합 유로 중 가스 공급 영역에 대해서만 설명한다.
도 8의 (a)는, 본 실시형태의 혼합 유로(300) 중 가스 공급 영역(310)의 사시도이다. 도 8의 (a)에 도시된 것처럼, 가스 공급 영역(310)은, 공기 유입구(101)와 접속되고, 제1 가스 공급구(311), 제2 가스 공급구(312) 및 제3 가스 공급구(313)를 가진다. 혼합 유로(300)의 상류측의 제1 가스 공급구(311)의 구경은 가장 크고 하류측의 제3 가스 공급구(313)의 구경은 가장 작다. 이와 같이 본 실시형태에서는 혼합 유로(300)내를 가스가 흐르는 방향을 따라 가스 공급구의 구경이 단계적으로 작아지는 것을 특징으로 한다.
다음으로 가스 공급 영역(310)에 있어서의 공기 및 수소리치 가스의 움직임 에 대해 설명한다. 도 8의 (b)는 도 8의 (a)에 나타낸 가스 공급 영역(310)의 혼합 유로(300)의 A-A선 단면도이다. 도 8의 (b)중의 화살표는 공기 및 수소리치 가스의 흐름을 나타낸다.
도 8의 (b)에 도시된 것처럼, 가스 공급 영역(310)에는 미리 공기 유입구(101)로부터 공급된 공기가 흐르고 있다. 또, 변성부(4)를 통과한 수소리치 가스가 제1 가스 공급구(311), 제2 가스 공급구(312), 제3 가스 공급구(313)를 지나 가스 공급 영역(310)에 유입된다.
상술한 것처럼, 공기의 유량은 수소리치 가스의 유량의 1/20 정도이므로, 수소리치 가스가 공급되어 있지 않은 가스 공급 영역(310)의 상류에서는 가스의 유량이 적고; 가스 공급구를 통해 수소리치 가스가 유입됨에 따라 가스의 유량이 단계적으로 많아진다. 이와 같이 가스 공급 영역내에서의 가스의 유량에 격차가 있으면, 가스 공급 영역내에서 수소리치 가스와 공기와의 교반이 충분히 행해지지 않을 우려가 있다.
그러나, 본 실시형태에서는, 상류측의 제1 가스 공급구(311)의 구경이 크기 때문에, 상류측의 제1 가스 공급구(311)로부터 유입하는 수소리치 가스의 유량이 많고; 하류측의 제3 가스 공급구(313)의 구경이 작기 때문에, 하류측의 제3 가스 공급구(313)로부터 유입하는 수소리치 가스의 유량이 작다. 이 때문에, 가스 공급 영역(310)내를 흐르는 가스의 유량이 균일화되어 보다 효과적으로 수소리치 가스와 공기를 교반할 수 있다.
(실시형태 4)
실시형태 4에서는, 혼합 유로가 가스 공급 영역내에 복수의 장벽을 가지는 형태에 대해 설명한다.
실시형태 4의 연료 처리 장치에서는, 혼합 유로가 가스 공급 영역내에 복수의 장벽을 가지는 것 외에는, 실시형태 1의 연료 처리 장치와 동일하다. 따라서, 실시형태 4에서는 혼합 유로 중 가스 공급 영역에 대해서만 설명한다.
도 9는 실시형태 4의 혼합 유로(400) 중 가스 공급 영역(410)의 단면도를 나타낸다. 도 9에 나타나듯이, 가스 공급 영역(410)은, 공기 유입구(101)와 접속되고, 복수의 장벽(401)을 가진다. 장벽(401)은 혼합 유로(400)의 벽면 중 가스 공급구와 대향하는 영역에 설치되어 있으며, 가스 공급구 부근의 혼합 유로(400)내의 가스의 흐름의 일부를 차단한다.
다음으로 가스 공급 영역(410)내의 수소리치 가스 및 공기의 움직임에 대해 설명한다. 도 9중의 화살표는 수소리치 가스 및 공기의 흐름을 나타낸다. 도 9에 나타나듯이, 가스 공급 영역(410)에는 미리 공기 유입구(101)로부터 공급된 공기가 흐르고 있다. 또, 변성부(4)를 통과한 수소리치 가스가 제1 가스 공급구(411), 제2 가스 공급구(412)를 지나 가스 공급 영역(410)에 유입된다.
본 실시형태에서는, 공기 유입구(101)로부터 유입한 공기가 가스 공급구 근방(약간 상류측)에 배치된 장벽(401)에 의해 가스 공급구 근방으로 유도된다. 이 때문에, 만일 가스 공급구를 지나 유입하는 수소리치 가스의 유속이 늦어 가스 공급구의 근방에서만 소용돌이가 형성되는 경우라 하더라도, 장벽(401)에 의해 가스 공급구 근방으로 공기가 유도되기 때문에, 수소리치 가스와 공기를 충분히 교반할 수 있다.
(실시형태 5)
실시형태 5에서는, 가스 공급구의 구경이 혼합 유로를 향해 좁혀져 있는 형태에 대해 설명한다.
실시형태 5의 연료 처리 장치에서는, 가스 공급 영역이 가지는 가스 공급구의 형상이 다른 것 외에는, 실시형태 1의 연료 처리 장치와 동일하다. 따라서, 실시형태 5에서는 혼합 유로 중 가스 공급 영역에 대해서만 설명한다.
도 10은 실시형태 5의 혼합 유로(500) 중 가스 공급 영역(510)의 단면도를 나타낸다. 도 10에 나타나듯이, 가스 공급 영역(510)은, 공기 유입구(101)와 접속되고, 제1 가스 공급구(511) 및 제2 가스 공급구(512)를 가진다. 제1 가스 공급구(511) 및 제2 가스 공급구(512)는 혼합 유로(500)를 향해 좁혀져 있다.
다음으로 가스 공급 영역(510)내의 수소리치 가스 및 공기의 움직임에 대해 설명한다. 도 10중의 화살표는 수소리치 가스 및 공기의 흐름을 나타낸다. 도 10에 나타나듯이, 가스 공급 영역(510)에는 미리 공기 유입구(101)로부터 공급된 공기가 흐르고 있다. 또, 변성부(4)를 통과한 수소리치 가스가 제1 가스 공급구(511), 제2 가스 공급구(512)를 지나 가스 공급 영역(510)에 유입된다.
본 실시형태에서는, 가스 공급구의 구경이 혼합 유로를 향해 좁혀져 있으므로, 제1 가스 공급구(511) 및 제2 가스 공급구(512)를 지나 가스 공급 영역(510)에 유입되는 수소리치 가스의 유속이 빨라진다. 이에 의해 수소리치 가스와 공기의 교반이 촉진된다. 또, 가스 공급구를 지나 유입되는 수소리치 가스의 유속을 높임 으로써, 수소리치 가스의 유입에 의해 형성되는 소용돌이를 크게 할 수가 있어 수소리치 가스와 공기와의 교반을 촉진할 수 있다.
(실시형태 6)
실시형태 6에서는, 가스 공급구가 혼합 유로의 횡단면의 중심까지 뻗어 있는 형태에 대해서 설명한다.
실시형태 6의 연료 처리 장치에서는, 가스 공급 영역이 가지는 가스 공급구의 형상이 다른 것 외에는, 실시형태 1의 연료 처리 장치와 동일하다. 따라서, 실시형태 6에서는 혼합 유로 중 가스 공급 영역에 대해서만 설명한다.
도 11은 실시형태 6의 혼합 유로(600) 중 가스 공급 영역(610)의 단면도를 나타낸다. 도 11에 나타나듯이, 가스 공급 영역(610)은, 공기 유입구(101)와 접속되고, 제1 가스 공급구(611) 및 제2 가스 공급구(612)를 가진다. 제1 가스 공급구(611) 및 제2 가스 공급구(612)는 혼합 유로(600)의 횡단면의 중심까지 뻗어 있다.
다음으로 가스 공급 영역(610)내의 수소리치 가스 및 공기의 움직임에 대해 설명한다. 도 11중의 화살표는 수소리치 가스 및 공기의 흐름을 나타낸다. 도 11에 나타나듯이 가스 공급 영역(510)에는 미리 공기 유입구(101)로부터 공급된 공기가 흐르고 있다. 또, 변성부(4)를 통과한 수소리치 가스가 제1 가스 공급구(611), 제2 가스 공급구(612)를 지나 가스 공급 영역(610)에 유입된다.
혼합 유로(600)내를 흐르는 가스의 유속은 혼합 유로(600)의 벽면 근방보다 혼합 유로(600)의 횡단면의 중심 쪽이 빠르다. 본 실시형태에서는 가스 공급구가 길게되어 있으므로, 가스 공급구를 지나 유입한 수소리치 가스를 가스 유속이 빠른 혼합 유로(600)의 횡단면의 중심으로 유도할 수가 있다. 이에 의해, 수소리치 가스와 공기의 교반을 촉진할 수 있다.
[실시예]
실시예에서는, 본 발명의 연료 처리 장치의 혼합 유로에 있어서의 수소리치 가스 및 공기의 움직임을 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 해석했다.
(사용한 프로그램)
시뮬레이션에서는 ANSYS사제의 FLUENT6.2를 이용했다.
(혼합 유로의 형상)
실시예에서 해석한 혼합 유로(100)의 형상을 도 12에 나타낸다. 도 12에 나타나듯이 혼합 유로(100)를 반원형의 원형 관에 의해 구성했다. 원형 관의 내경은 6 mm로 했다. 반원의 직경(D)은 120 mm로 했다. 또, 가스 공급 영역(110)의 길이를 94 mm로 하고, 가스 확산 영역의 길이를 94 mm로 했다. 가스 공급 영역(110)에는 가스 공급구(111)를 가스의 흐름에 따라 배열했다. 가스 공급구(111)의 구경을 4 mm로 했다. 4 개의 가스 공급구는 도 12에 나타내는 바와 같이 22.5о 마다 배치했다.
(공기 및 수소리치 가스의 유량)
공기의 유량을 0.6 L/min로 하고, 수소리치 가스의 유량을 18 L/min로 했다.
(수소리치 가스의 조성)
수소리치 가스의 조성을 이하와 같이 설정했다.
메탄 1.8%; 수증기 18.7%; 이산화탄소 15.4%; 일산화탄소 0.2%; 수소 63.9%.
(측정 위치)
도 13에 나타나듯이, 18о 마다 가스 확산 영역의 단면에 있어서의 산소의 몰 농도와 일산화탄소의 몰 농도와의 비율(산소의 몰 농도/일산화탄소의 몰 농도)을 측정했다. 산소는 공기에 포함되고, 일산화탄소는 수소리치 가스에 포함되므로, 산소의 몰 농도와 일산화탄소의 몰 농도와의 비율의 편차가 작을수록, 수소리치 가스와 공기가 충분히 혼합되어 있음을 시사한다.
(해석 결과)
실시예의 해석 결과를 도 13에 나타낸다. 도 13에 나타나듯이, 가스 확산 영역의 가장 상류의 단면 (1)에서는, 산소의 몰 농도와 일산화탄소의 몰 농도의 비율의 편차 폭이 2.4~4.0이 되었다. 한편, 단면 (2)에서는 산소의 몰 농도와 일산화탄소의 몰 농도의 비율의 편차 폭이 2.8~3.2가 되고, 단면 (3)에서는 2.8~3.0이 된다. 그리고, 단면 (5)에서는 산소의 몰 농도와 일산화탄소의 몰 농도와의 비율의 편차가 확인되지 않았다.
상기 해석 결과는, 가스 공급 영역만으로는 수소리치 가스와 공기와의 혼합이 불충분하지만, 본 발명과 같이 가스 공급 영역의 다음에 가스 확산 영역을 설치함으로써, 수소리치 가스와 공기를 충분히 혼합할 수 있음을 시사한다.
본 출원은, 2008년 5월 30 일에 출원한 일본 특허출원 2008-143028에 기초하 는 우선권을 주장한다. 해당 출원 명세서에 기재된 내용은 모두 본원 명세서에 원용된다.
본 발명의 연료 처리 장치는 안정적으로 연료 전지용 연료 가스를 생성할 수 있다. 이 때문에 본 발명의 연료 처리 장치는 가정용 코제네레이션 시스템 등의 연료 전지 시스템에 유용하다.

Claims (6)

  1. 일산화탄소 및 물을 포함하는 수소리치 가스를 생성하는 개질부와;
    상기 수소리치 가스중의 일산화탄소와 물을 반응시켜, 저농도의 일산화탄소를 포함한 수소리치 가스를 생성하는 변성부와;
    상기 저농도의 일산화탄소를 포함한 수소리치 가스와 산소를 포함한 공기를 혼합하여, 혼합 가스를 생성하는 혼합 유로와;
    상기 혼합 유로의 상류단과 접속되어, 상기 혼합 유로에 공기를 공급하는 공기 공급부와;
    상기 혼합 유로의 하류단과 접속되어, 상기 혼합 가스중의 일산화탄소와 산소를 반응시켜, 연료 가스를 생성하는 선택 산화부를 가지는 연료 전지용의 연료 처리 장치로서,
    상기 혼합 유로는, 상류측의 가스 공급 영역과 하류측의 가스 확산 영역으로 되어 있으며, 또한,
    상기 가스 공급 영역과 상기 변성부를 접속하는 2 이상의 가스 공급구를 가지며,
    상기 가스 확산 영역의 길이는 상기 가스 공급 영역 길이의 0.5~2배인, 연료 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2 이상의 가스 공급구는 상기 혼합 유로의 장축을 따라 배열되고,
    상기 2 이상의 가스 공급구 중 하나의 가스 공급구의 상기 혼합 유로의 원주 방향 위치와, 다른 가스 공급구의 상기 혼합 유로의 원주 방향 위치는 다른 연료 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하나의 가스 공급구의 상기 혼합 유로의 원주 방향 위치와, 다른 가스 공급구의 상기 혼합 유로의 원주 방향 위치는 대향하는 연료 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 공급구 중 최상류측의 가스 공급구의 구경이 가장 크고, 최하류측의 가스 공급구의 구경이 가장 작은 연료 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 유로내에 설치된 2 이상의 장벽을 더 가지며,
    상기 장벽은 상기 가스 공급구 부근의 혼합 유로내의 가스 흐름의 일부를 차단하는 연료 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스 공급구의 구경은 상기 혼합 유로를 향해 좁혀져 있는 연료 처리 장치.
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