KR20100136779A - 연료전지 스택으로부터 배출되는 미반응 연료를 이용한 개질기와 이를 채용한 연료전지 시스템, 및 연료전지 시스템의 구동 방법 - Google Patents

연료전지 스택으로부터 배출되는 미반응 연료를 이용한 개질기와 이를 채용한 연료전지 시스템, 및 연료전지 시스템의 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 연료 이용 효율을 향상시킬 수 있도록 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부와, 열원에 의한 개질 반응을 통해 상기 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원, 및 상기 산소를 상기 전기 생성부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며, 상기 개질기는 개질 촉매가 내장되며 내부에 화염이 발생하는 공간이 형성된 개질 반응부와 연소 촉매가 내장되며 스택에서 배출된 미반응 연료와 공기가 유입되는 1차 가열관과 상기 1차 가열관에서 가열된 미반응 연료와 공기가 혼합되는 혼합관을 포함하는 가열부를 포함하고 상기 개질 반응부와 상기 가열부 사이에는 가열된 미반응 연료와 혼합된 공기가 분출되는 분사 홀이 형성된다.
연료전지, 스택, 개질기, 미반응 연료

Description

연료전지 스택으로부터 배출되는 미반응 연료를 이용한 개질기와 이를 채용한 연료전지 시스템, 및 연료전지 시스템의 구동 방법{REFORMER USING OFF GAS, FUEL CELL SYSTEM, AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미반응 연료를 이용하는 개질기의 구조를 개선한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 및 전해질 등이 서로 다르다.
용융탄산염형 연료전지(MCFC; Molt Carbonate Fuel Cell)와 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell) 같은 고온형 연료전지는 600℃ 내지 1000℃에서 운전되는 연료전지로서 기술적인 한계로 연료를 100% 연소시키지 못하고 일부 연료가 반응물과 함께 배출된다. 반응물과 혼합된 미반응 연료는 수소의 농도가 낮은 희박 연료이기 때문에 직접 연소시켜서 에너지로 활용하기 어렵다. 이러한 연료의 에너지 활용도를 높이기 위한 방법으로는 미반응 연료가 배출되는 부분에 연료를 추가하여 연소시키는 방법과 촉매를 이용한 반응기를 설치하여 활용도를 높이는 방법이 있다. 그러나 전자의 경우는 연료전지의 효율을 현저히 저하시키는 문제가 있으며, 후자의 경우는 촉매 내구온도 이상으로 승온이 어렵기 대문에 때문에 열에너지의 활용이 매우 제한적인 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 미반응 연료를 이용하여 연료 이용 효율이 향상된 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 개질기는, 개질 촉매가 내장되며 내부에 화염이 발생하는 공간이 형성된 개질 반응부, 및 연소 촉매가 내장되며 스택에서 배출된 미반응 연료와 공기가 유입되는 1차 가열관과 상기 1차 가열관에서 가열된 미반응 연료와 공기가 혼합되는 혼합관을 포함하는 가열부를 포함하고 상기 개질 반응부와 상기 가열부 사이에는 가열된 미반응 연료와 혼합된 공기가 분출되는 분사 홀이 형성된다.
상기 개질 반응부는 개질 촉매가 내장되는 제1 공간을 형성하는 제1 벽체와 제1 벽체의 내부에 형성되어 상기 분사 홀과 연통되어 내부에 화염이 형성되는 제2 공간을 형성하는 제2 벽체를 포함하고, 상기 제1 벽체와 상기 제2 벽체를 포함할 수 있다.
상기 제2 벽체에는 제1 벽체를 향하여 돌출된 열전달 핀이 형성될 수 있으며, 상기 제1 벽체에는 연료 공급관과 물 공급관이 연결 설치될 수 있다. 또한, 상기 혼합관의 외측에는 공기가 유입되며, 상기 혼합관의 외면에서 이격된 가열 몸체가 형성될 수 있다.
상기 혼합관의 하부는 개방되고, 상기 혼합관과 상기 1차 가열관 사이의 공간에는 상기 1차 가열관의 중심축 방향에 대하여 경사지게 형성된 안내판이 설치될 수 있으며,
상기 1차 가열관에는 상기 산화촉매에서 반응하지 아니한 미반응 연료가 상기 1차 가열관과 상기 혼합관 사이의 공간으로 배출 될 수 있도록 홀이 형성될 수 있으며, 상기 1차 가열관의 상단에는 상기 분사 홀의 아래에 위치하며 원뿔 형태로 이루어진 돌출부가 형성될 수 있다.
상기 혼합관에서 상기 돌출부를 향하는 면은 상기 돌출부의 외면과 평행하도록 경사지게 형성될 수 있으며, 상기 1차 가열부로 유입된 상기 미반응 연료는 상기 연소 촉매에서 10% 내지 30%만 소모되고, 나머지는 상기 혼합관으로 유입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부와, 열원에 의한 개질 반응을 통해 상기 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개 질기와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원, 및 상기 산소를 상기 전기 생성부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며, 상기 개질기는 개질 촉매가 내장되며 내부에 화염이 발생하는 공간이 형성된 개질 반응부와 화 촉매가 내장되며 스택에서 배출된 미반응 연료와 공기가 유입되는 1차 가열관과 상기 1차 가열관에서 가열된 미반응 연료와 공기가 혼합되는 혼합관을 포함하는 가열부를 포함하고 상기 개질 반응부와 상기 가열부 사이에는 가열된 미반응 연료와 혼합된 공기가 분출되는 분사 홀이 형성된다.
상기 개질 반응부는 개질 촉매가 내장되는 제1 공간을 형성하는 제1 벽체와 제1 벽체의 내부에 위치하며 상기 분사 홀과 연통되어 내부에 화염이 형성되는 제2 공간을 형성하는 제2 벽체를 포함할 수 있으며, 상기 제2 벽체에는 제1 벽체를 향하여 돌출된 열전달 핀이 형성될 수 있다.
상기 혼합관의 외측에는 공기가 유입되며, 상기 혼합관의 외면에서 이격 배치된 가열 몸체가 형성될 수 있으며, 상기 혼합관의 하부는 개방되고, 상기 혼합관과 상기 1차 가열관 사이의 공간에는 상기 1차 가열관의 중심축 방향에 대하여 경사지게 형성된 안내판이 설치될 수 있다.
상기 1차 가열관의 상단에는 상기 분사 홀의 아래에 위치하며 원뿔 형태로 이루어진 돌출부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동 방법은 미반응 연료와 미반응 연료가 완전 연소되기에 부족한 희박한 양의 공기를 연소 촉매가 내장된 1차 가열관으로 공급하여 미반응 연료를 가열하는 단계와, 상기 1차 가열관에서 가 열된 미반응 연료와 공기를 혼합하는 단계와, 가열된 미반응 연료와 혼합하여 개질 촉매가 내장된 개질 반응부의 내부로 분사하는 단계, 및 연료와 수증기를 상기 개질 촉매와 반응시켜 개질가스를 생산하는 단계를 포함한다.
상기 미반응 연료를 가열하는 단계는 상기 1차 가열관으로 공급된 미반응 연료는 공급된 양의 10% 내지 30%가 연소 촉매와 반응하여 소모될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에 의하면, 미반응 연료를 1차로 촉매 가열한 후, 가열된 연료를 공기와 혼합하여 연소시킴으로써 저함수 고발열 미반응 연료를 이용하여 개질기로 안정적인 열을 공급할 수 있다. 이와 같이 미반응 연료를 이용하여 개질기에 열을 공급함으로써 연료 이용효율이 향상된다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 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 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략적인 구성도이고 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 스택을 도시한 분해 사시도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료전지 시스템(100)은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 개질가스를 발생시키고, 이 개질가스와 공기 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.
이러한 연료전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 통칭한다.
그리고 본 연료전지 시스템(100)은 수소 가스와 반응하는 공기 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 생성부(11)와, 전술한 바 있는 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 생성부(11)로 공급하는 개질기(20)와, 상기 혼합 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급원(50)과, 산소를 상기 전기 생성부(11)로 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.
전기 생성부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고 한다.)(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 연료전지를 구성한다. 본 실시예에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 생성부(11)를 복수로 구비하여 도 2에 도시한 바와 같이, 이들 전기 생성부(11)의 집합체 구조인 스택(10)을 형성하고 있다.
상기 스택(10)에 있어 전기 생성부(11)를 구성하는 막-전극 어셈블리(12)는 전해질막을 중심에 두고 이의 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하여 수소와 산소를 산화/환원 반응시키는 통상적인 MEA의 구조로 이루어진다. 그리고 세퍼레이터(16)는 막-전극 어셈블리(12)의 양측에 수소 가스와 산소를 함유한 공기를 공급하는 기능 이 외에, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다.
그리고 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 생성부(11)를 밀착시키는 별도의 가압 플레이트(13)를 설치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(10)은 상기한 가압 플레이트(13)를 배제하고, 전기 생성부(11)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(16)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수도 있다. 또한 가압 플레이트(13)가 복수의 전기 생성부(11)를 밀착시키는 기능 외에, 다음에 설명하는 세퍼레이터(16)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.
이에 더하여 상기 가압 플레이트(13)에는 개질기(20)로부터 발생되는 개질가스를 전기 생성부(11)로 공급하기 위한 제1 주입부(13a)와, 공기를 상기 전기 생성부(11)로 공급하기 위한 제2 주입부(13b)와, 상기 전기 생성부(11)에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출시키기 위한 제1 배출부(13c)와, 상기 전기 생성부(11)에서 수소와 반응하고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(13d)를 형성하고 있다.
한편, 본 연료전지 시스템(100)에 적용되는 개질기(20)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다. 이러한 개질기(20)의 구조는 뒤에서 더욱 설명한다.
위와 같은 개질기(20)로 연료를 공급하는 연료 공급원(50)은 전술한 바 있는 연료를 저장하는 탱크를 포함하며, 산소 공급원(70)은 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 스택(10)으로 공급하는 공기 펌프를 포함한다. 본 기재에서 산소라 함은 순수한 산소와 산소를 포함하는 공기를 포함하는 광의의 개념으로 정의한다.
연료 공급원(50)과 개질기(20)는 연료 공급관(91)을 통해서 연결되고, 산소 공급원(70)은 제1 개질 공기 공급관(93)과 제2 개질 공기 공급관(94)을 통해서 개질기로 공기를 공급하며, 스택 공기 공급관(95)을 통해서 스택으로 공기를 공급한다. 한편, 제1 배출부(13c)에는 미반응 연료를 개질기(20)로 전달하는 회수관(97)이 연결 설치되고, 제1 유입부(13a)에는 개질기(20)에서 발생된 개질가스를 스택(10)으로 전달하는 개질가스 공급관(96)이 설치된다.
또한, 연료전지 시스템(100)은 물 공급원(60)를 더 포함하며, 물 공급원(60)는 물 공급관(92)을 통해서 수증기를 개질기(20)로 전달한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 도시한 절개 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 도시한 종단면도이며 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 도시한 횡단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 개질기(20)는 열원(이하에서 '열 에너지'라고도 한다.)에 의한 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 촉매 반응을 통해 연료로부터 개질가스를 발생시키는 개질 반응부(22)와, 미반응 연료를 착화 연소시켜 상기 열원을 발생시키는 가열부(24)를 포함하여 구성된다.
개질 반응부(22)는 상호 독립적인 제1 공간(A)과 제 2 공간(B)을 형성하는 이중의 원통 관로 형태로 이루어지며, 개질 촉매(21a)가 설치된 제1 벽체(21)와 제1 벽체(21)의 내부에 배치되어 화염(29)이 분사되는 제2 벽체(23)를 포함한다. 제1 벽체(21)는 소정의 단면적을 가지면서 실질적으로 양측 단부가 폐쇄된 원형의 파이프 형태로 이루어진다. 이 때, 제1 벽체(21)는 단열성을 갖는 통상적인 금속 또는 비금속 단열 소재로 형성될 수 있다.
그리고 제2 벽체(23)는 제1 벽체(21)의 단면적 보다 상대적으로 더 작은 단면적을 가지는 원형의 파이프 형태로 이루어진다. 이 때, 제2 벽체(23)의 외주면과 제1 벽체(21)의 내주면이 일정 간격 이격되도록 제1 벽체(21)의 내부 중심 방향으로 배치된다.
이러한 구조로서 본 실시예에 의한 개질 반응부(22)는 제1 벽체(21)와 제2 벽체(23) 사이에 제1 공간(A)을 형성하고, 제2 벽체(23) 내부에 제2 공간(B)을 형성할 수 있다.
따라서 제1 벽체(21)와 제2 벽체(23) 사이의 제1 공간(A)에 개질 촉매(21a)를 충전하여 이 개질 촉매(21a)에 의한 연료의 개질 반응으로 수소가 풍부한 개질가스를 발생시킬 수 있으며, 제2 벽체(23)의 내부의 제2 공간(B)으로 화염(29)을 형성하여 개질 촉매(21a)에 열 에너지를 전달할 수 있다.
또한, 제2 벽체(23)에는 제1 벽체(21)를 향하여 돌출된 복수개의 판 형상의 열전달 핀(23a)이 형성된다. 이 열전달 핀(23a)은 제2 공간(B)에서 발생한 열을 효율적으로 개질 촉매(21a)로 전달하는 역할을 한다.
개질 반응부(22)의 제1 벽체(21)에는 연료가 공급되는 연료 공급관(91)과 수증기가 유입되는 물 공급관(92)이 연결 설치되며, 개질 반응부(22)로 유입된 수증기와 연료는 가열부에서 전달된 열 에너지로 가열된 개질 촉매(21a)를 통해서 수소가 풍부한 개질가스로 변환된다. 생성된 개질가스는 개질가스 공급관(96)을 통해서 스택(10)으로 전달되며, 화염(29)으로 발생한 연소가스는 배기관(98)을 통해서 외부로 배출된다.
한편, 가열부(24)는 개질 반응부(22)의 아래에 배치되며, 제1 개질 공기 공급관(93)이 연결 설치된 가열 몸체(25)와 가열 몸체(25)의 내부에 삽입 설치되며 내부에 연소 촉매(28c)가 설치된 1차 가열관(28), 및 가열 몸체(25)와 1차 가열관(28) 사이에 설치된 혼합관(27)을 포함한다. 본 기재에서 연소 촉매(28c)라 함은 연료를 산화시키는 촉매를 말한다.
혼합관(27)은 가열 몸체(25)의 내면에서 이격 배치되어 공간(25a)이 형성되며, 1차 가열관(28)은 혼합관(27)의 내면에서 이격 배치되어 공간(27a)이 형성되는 바, 이에 따라 가열 몸체(25), 혼합관(27), 1차 가열관(28)은 3중의 원통관 구조로 이루어진다. 이때, 혼합관(27)은 하단이 개방된 구조로 이루어지는 바, 이에 따라 혼합관(27)의 안쪽 공간(27a)은 가열 몸체(25)가 형성하는 공간(25a)과 연통된다.
1차 가열관(28)의 아래에는 스택(10)에서 배출되는 미반응 연료를 1차 가열관(28)으로 전달하는 회수관(97)이 연결 설치되고, 공기를 1차 가열관(28)으로 공급하는 제2 개질 공기 공급관(94)이 연결 설치된다. 또한, 1차 가열관(28)의 내부에는 연소 촉매(28c)가 설치되어 미반응 연료와 공기를 이용하여 열을 발생시킨다. 또한, 1차 가열관(28)의 위쪽에는 연소 촉매(28c)에 의하여 산화되고 남은 미반응 연료를 1차 가열관(28)과 혼합관(27) 사이의 공간(27a)으로 전달하는 복수 개의 홀(28a)이 형성되어 있다.
이에 따라 미반응 연료는 연소 촉매(28c)에 의하여 가열되어 혼합관(27)으로 이동할 수 있다. 이때, 제2 개질 공기 공급관(94)을 통해서 1차 가열관(28)으로 전달되는 공기의 양은 미반응 연료가 완전 연소할 수 있는 양보다 적은 희박한 정도 양이 공급된다. 이에 따라 연료 과잉 조건에서 공급된 미반응 연료는 10% 내지 30%의 연료만 반응하여 가열된 미반응 연료가 혼합관(27)과 1차 가열관(28) 사이의 공간(27a)으로 이동한다.
한편, 가열 몸체(25) 내부로 유입된 공기는 혼합관(27)의 하부를 통해서 혼합관(27)과 1차 가열관(28) 사이의 공간(27a)으로 유입되는 바, 이 1차 가열관(28)과 혼합관(27) 사이의 공간(27a)에서 미반응 연료와 공기가 혼합되고 가열된다. 개질 반응부(22)와 가열부(24) 사이의 판에는 분사 홀(26)이 형성되는 바, 이 분사 홀(26)을 통해서 공기와 혼합된 미반응 연료가 제1 공간(A)으로 분사되면서 화염(29)을 형성한다. 이 때 분사 홀(29)에는 화염을 형성하기 위해서 점화 플러그 등이 설치될 수 있다.
1차 가열관(28)은 가열된 미반응 연료가 분사 홀(26)을 통해서 제1 공간(A)으로 용이하게 전달될 수 있도록 상단에 원뿔 형태로 이루어진 돌출부(28b)가 형성되며, 돌출부(28b)의 꼭지는 분사 홀(26)의 아래에 위치한다. 혼합관(27)의 상단에는 돌출부(28b)를 향하는 면이 돌출부(28b)와 평행하도록 내부 단면적이 점진적 으로 감소하는 경사면으로 형성되어 1차 가열관(28)과 혼합관(27) 사이에 위치하는 가스를 분사 홀(26)로 쉽게 전달할 수 있다. 분사 홀(26)에는 점화기(미도시)가 설치될 수 있다.
한편, 1차 가열관(28)의 외면에는 혼합관(27)으로 유입되는 공기가 미반응 연료와 용이하게 혼합될 수 있도록 스월을 발생시키는 안내판(28d)이 설치된다. 안내판(28d)은 1차 가열관(28)의 중심축 방향에 대하여 경사지게 형성되어 유입되는 공기가 1차 가열관(28)의 벽면에 대하여 비스듬하게 유입되도록 한다. 경사를 가지고 유입된 공기는 난류를 형성하여 미반응 연료와 더욱 잘 혼합된다.
이와 같이 희박한 미반응 연료가 연소 촉매에 의한 희박 연소로 고온으로 승온된 후, 산소가 풍부한 공기를 다량 공급하면 개질 반응부로 충분한 양의 열을 전달할 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 구동 방법에 대하여 살펴보면, 먼저 미반응 연료와 미반응 연료가 완전 연소되기에 부족한 희박한 양의 공기를 연소 촉매(28c)가 내장된 1차 가열관(28)으로 공급하여 미반응 연료를 가열하는 단계와 1차 가열관(28)에서 가열된 미반응 연료와 공기를 혼합하는 단계와 가열된 미반응 연료와 혼합된 공기를 연소시켜서 개질 촉매(21a)가 내장된 개질 반응부(22)의 내부로 분사하는 단계, 및 연료와 수증기를 개질 촉매(21a)와 반응시켜 개질가스를 생산하는 단계를 포함한다.
미반응 연료를 가열하는 단계에서 10% 내지 30%의 미반응 연료가 연소 촉매(28c)와 반응하여 소모된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 도시한 절개 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 도시한 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 도시한 횡단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 참조부호의 설명>
100: 연료전지 시스템 10: 스택
11: 전기 생성부 12: 막-전극 어셈블리
16: 세퍼레이터 20: 개질기
21: 제1 벽체 21a: 개질 촉매
22: 개질 반응부 23: 제2 벽체
23a: 열전달 핀 24: 가열부
25: 가열 몸체 26: 분사 홀
27: 혼합관 28: 1차 가열관
28c: 연소 촉매 28d: 안내판
50: 연료 공급원 60: 물 공급원
70: 산소 공급원

Claims (17)

  1. 개질 촉매가 내장되며 내부에 화염이 발생하는 공간이 형성된 개질 반응부; 및
    연소 촉매가 내장되며 스택에서 배출된 미반응 연료와 공기가 유입되는 1차 가열관과 상기 1차 가열관에서 가열된 미반응 연료와 공기가 혼합되는 혼합관을 포함하는 가열부;
    를 포함하고
    상기 개질 반응부와 상기 가열부 사이에는 가열된 미반응 연료와 혼합된 공기가 분출되는 분사 홀이 형성된 연료전지 시스템의 개질기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질 반응부는 개질 촉매가 내장되는 제1 공간을 형성하는 제1 벽체와 제1 벽체의 내부에 형성되어 상기 분사 홀과 연통되어 내부에 화염이 형성되는 제2 공간을 형성하는 제2 벽체를 포함하고, 상기 제1 벽체와 상기 제2 벽체를 포함하는 연료전지 시스템의 개질기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 벽체에는 제1 벽체를 향하여 돌출된 열전달 핀이 형성된 연료전지 시스템의 개질기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 벽체에는 연료 공급관과 물 공급관이 연결 설치된 연료전지 시스템의 개질기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합관의 외측에는 공기가 유입되고, 상기 혼합관의 외면에서 이격되며 혼합관과 연통된 가열 몸체가 형성된 연료전지 시스템의 개질기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합관과 상기 1차 가열관 사이의 공간에는 상기 1차 가열관의 중심축 방향에 대하여 경사지게 형성된 안내판이 설치된 연료전지 시스템의 개질기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 가열관에는 상기 산화촉매에서 반응하지 아니한 미반응 연료가 상기 1차 가열관과 상기 혼합관 사이의 공간으로 배출 될 수 있도록 홀이 형성된 연료전지 시스템의 개질기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 가열관의 상단에는 상기 분사 홀의 아래에 위치하며 원뿔 형태로 이루어진 돌출부가 형성된 연료전지 시스템의 개질기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합관에서 상기 돌출부를 향하는 면은 상기 돌출부의 외면과 평행하도록 경사지게 형성된 연료전지 시스템의 개질기.
  10. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부;
    열원에 의한 개질 반응을 통해 상기 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기;
    상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원; 및
    상기 산소를 상기 전기 생성부로 공급하는 산소 공급원
    을 포함하며,
    상기 개질기는,
    개질 촉매가 내장되며 내부에 화염이 발생하는 공간이 형성된 개질 반응부와 화 촉매가 내장되며 스택에서 배출된 미반응 연료와 공기가 유입되는 1차 가열관과 상기 1차 가열관에서 가열된 미반응 연료와 공기가 혼합되는 혼합관을 포함하는 가열부를 포함하고 상기 개질 반응부와 상기 가열부 사이에는 가열된 미반응 연료와 혼합된 공기가 분출되는 분사 홀이 형성된 연료전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 개질 반응부는 개질 촉매가 내장되는 제1 공간을 형성하는 제1 벽체와 제1 벽체의 내부에 위치하며 상기 분사 홀과 연통되어 내부에 화염이 형성되는 제2 공간을 형성하는 제2 벽체를 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 벽체에는 제1 벽체를 향하여 돌출된 열전달 핀이 형성된 연료전지 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 혼합관의 외측에는 공기가 유입되며, 상기 혼합관의 외면에서 이격 배치된 가열 몸체가 형성된 연료전지 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 혼합관의 하부는 개방되고, 상기 혼합관과 상기 1차 가열관 사이의 공간에는 상기 1차 가열관의 중심축 방향에 대하여 경사지게 형성된 안내판이 설치된 연료전지 시스템.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 1차 가열관의 상단에는 상기 분사 홀의 아래에 위치하며 원뿔 형태로 이루어진 돌출부가 형성된 연료전지 시스템.
  16. 미반응 연료와 미반응 연료가 완전 연소되기에 부족한 희박한 양의 공기를 연소 촉매가 내장된 1차 가열관으로 공급하여 미반응 연료를 가열하는 단계;
    상기 1차 가열관에서 가열된 미반응 연료와 공기를 혼합하는 단계;
    가열된 미반응 연료와 혼합하여 개질 촉매가 내장된 개질 반응부의 내부로 분사하는 단계; 및
    연료와 수증기를 상기 개질 촉매와 반응시켜 개질가스를 생산하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 시스템의 구동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 미반응 연료를 가열하는 단계에서 상기 1차 가열관으로 공급된 미반응 연료는 공급된 양의 10% 내지 30%가 연소 촉매와 반응하여 소모되는 연료전지 시스템의 구동 방법.
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