KR20120034943A - 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지의 개질기 내부를 가열하는 열교환기와 가습기를 개질기 본체의 외부에 일체로 형성함으로써, 안정적인 반응 열을 제공함과 동시에 개질에 필요한 가습을 동시에 수행할 수 있도록 하는 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치는 연료가스 유입구와 개질가스 배출구가 형성되며 연료가스 유입구를 통해 유입된 연료가스를 촉매 반응을 통해 개질가스로 변환하는 통 형상의 개질기 본체, 개질기 본체의 외벽면을 감싸는 촉매 연소기, 촉매 연소기의 외부를 커버하는 하우징, 하우징의 외부에 설치되고, 연료전지 스택에서 배출되는 배기 가스를 하우징 내부로 공급하는 열교환기 및 열교환기 외부에 설치되어 물 유입구를 통해 유입된 물을 열교환기와 열교환을 통해 수증기로 변화시켜 연료가스 유입구로 공급하는 가습기를 포함한다.

Description

가습기 및 열교환기 일체형 개질장치{REFOAMING APPARATUS INTEGRATED WITH A HUMIDIFIER AND A HEAT EXCHANGER, AND REFOAMING METHOD THEREOF}
본 발명은 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치에 관한 것으로서, 특히 고체산화물 연료전지의 개질기 내부를 가열하는 열교환기와 가습기를 개질기 본체의 외부에 일체로 형성함으로써, 안정적인 반응 열을 제공함과 동시에 개질에 필요한 가습을 동시에 수행할 수 있도록 하는 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치에 관한 것이다.
고체 산화물 연료전지는 가정용, 건물용, 분산발전용, 대형 발전용에 이르기까지 적용범위가 다른 연료전지에 비해 매우 넓고 원료의 종류에 따라 보일러용, 디젤 트럭용, 선박용 IGFC용 등 다양한 분야에 활용할 수 있는 장점을 가지고 있다.
고체 산화물 연료전지의 스택 및 단위셀 구성은 열화학적으로 안정한 지르코니아계 전해질과 수소 및 일산화탄소와 반응하는 연료극(음극), 산소를 이온화 하는 공기극(양극)으로 단위셀이 구성되어 있고, 이러한 단위셀을 전기적으로 연결할 전기 전도성이 우수한 세라믹물질 및 금속판형태로 연결재가 구성되어 있다.
현재 고체산화물 연료전지(SOFC)는 고온에서 안정하고 발전효율이 높은 장점이 있으며 수소뿐만 아니라 일산화탄소를 함께 활용하기 때문에 기존의 화석 연료인 석탄가스, 디젤 개질가스, 바이오 가스, 메탄 가스등을 원료로 사용할 수 차세대 발전 방식이다.
탄화수소화물을 원료로 하여 수소를 생산하기 위한 개질 방법으로는 열분해, 부분산화, 수증기 개질, 자열 개질, 이산화탄소 개질 등이 있으며 이중 연료전지에 적용되고 있는 기술은 부분 산화 및 수증기 개질, 자열 개질 반응방법이 사용되고 있다.
각 개질 방법의 특징을 보면, 수증기 개질 방식은 느린 흡열 반응과 간접 가열 방식을 취하며 반응기 크기가 큰 단점이 있으나, 높은 수소 생산 효율이 있어 다양한 연료전지에 적용되고 있는 실정이다.
부분 산화 반응 방식은 빠른 발열 반응과 직접 가열이 가능한 것으로서, 초기 시동 및 응답특성이 우수한 장점이 있지만 낮은 수소 생산 효율 때문에 많이 선호되지 않는 형태이다.
자열 개질 방식은 부분 산화와 수증기 개질의 조합 형태로 직접 가열 방식이고 초기 시동 및 응답 특성이 우수한 장점이 있고, 수증기 개질 보다 수소 생산 효율이 다소 낮은 편이나 부분 산화보다 높은 효율을 나타내기 때문에 수증기 개질과 부분 산화의 중간 형태로 볼 수 있다.
그런데, 자열 개질 방식은 효율이 우수한 촉매의 개발이 되지 않았으며 장기 안정성에 대한 검토가 불충분한 하여 다양한 개질 반응기가 설계되고 있다.
현재 고체 산화물 연료전지의 개질 방법으로는 수증기 개질 방법이 선호되고 있으며, 앞서 언급한 반응기의 최소화 및 느린 흡열 반응을 통한 빠른 열원의 공급등이 개질기를 설계하는데 있어 매우 중요한 인자로 꼽히고 있다.
현재 개질기의 개발은 천연가스의 주성분인 메탄을 개질하여 수소를 생산하는 소형 연료 개질기로 가정용 연료전지 시스템 선진국인 일본의 경우 크기가 작고 효율이 높은 개질기의 개발이 되고 있으며 상용화된 개질기의 경우 대부분 수증기 개질 반응을 적용하고 있고 1kW급 가정용 연료전지 시스템의 경우 대부분의 제품에서 수증기 개질 방식을 선택하고 있는데 시동 시간이 늦은 단점을 가지고 있다.
연료전지용 수소 공급장치로 사용되는 개질기의 경우 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)에 모두 적용이 가능하지만 연료전지의 종류에 따라 개질기의 단위공정 구성이 달라진다.
PEMFC의 특성상 개질반응, 수성 가스 전이 반응, 선택적 산화 반응기의 3가지 단위공정으로 구성되어 각 장치가 일체로 설계되어 있으나, 탈황 반응부는 외부에 별도로 설치되어 있어 반응이 복잡하고 열을 외부의 버너를 통해 공급하기 때문에 매우 낮은 열효율을 나타내고 있다.
MCFC 및 SOFC에 적용되는 개질기의 경우 탈황기를 거친 천연가스가 수증기 개질 반응을 거친 후 바로 연료전지로 공급되는 것으로서, MCFC와 SOFC는 PEMFC와는 달리 CO가 전극의 원료로 사용될 수 있으며 전극을 피독 시키기 않기 때문에 CO의 농도를 줄이는 수성 가스 전이, CO 제거 공정인 선택적 CO 산화 반응 및 PSA 공정을 필요로 하지 않는 장점이 있다.
스택의 음극에 포함되어 있는 Ni성분이 촉매로 작용하여 수성 가스 전이반응을 유도하기 때문에 스택 내부에서 H2가 소모됨에 따라 반응 평형이 이동하고, 이에 따라 대부분의 CO는 H2O와 반응하여 H2와 CO2로 전환되므로 수성 가스 전이 반응 장치를 별도로 외부에 설치할 필요가 없다.
또한, 기존 PEMFC처럼 외부의 개질기를 통하여 수소를 제조하는 방법과 달리 MCFC 및 SOFC의 경우와 같이 개질 촉매를 스택 내부에 장착한 내부개질형 연료전지가 개발되어 개질반응용 촉매를 스택내부에 장착한 내부개질형 시스템을 적용하기도 하기도 하지만 현재 내부 개질형 개질기가 되어있다 하더라도 반응 효율에서 아직까지 부족한 부분이 있기 때문에 외부에서 예비 개질을 거쳐 내부 개질로 연료가 유입되는 방식을 취하고 있다.
SOFC 및 MCFC는 작동 온도가 높아 개질기를 간략화 할 수 있고, 연료의 다양화(수소 이외의 도시가스, 바이오매스, 합성가스등)를 통해 기존의 연료 인프라를 그대로 사용할 수 있는 장점이 있으며 기술 개발 완료시 기존의 발전 시장 및 보일러 시장을 즉각 대체 가능하다.
도 1은 종래 기술에 따른 고체 산화물 연료전지(SOFC) 시스템 구성도로서, 연료가스 공급부(100)로부터 공급되는 원료의 황성분을 제거하는 탈황기(200), 탈황기(200)로부터 배출되는 가스를 개질시키는 개질기(300), 개질기(300)에 촉매용 수증기를 공급하는 가습기(400), 개질가스 및 공기를 연료로 전기를 생성하는 스택(500)을 포함한다.
여기서, 개질기(300)는 빠른 열원 공급을 위해 스택(500)과 인접한 위치에서 탈황기(100), 가습기(400) 및 스택(500)과 함께 한 공간의 단열재 내부에 설치되어, 스택(500)에서 배기되는 배기 가스의 열원을 그대로 공급받아 열교환하는 방식을 취하고 있다.
그런데, 이러한 스택의 배기 가스에 의한 열을 이용하는 방식은 스택의 효율에 따라 열원 공급이 불균일하고 개질기의 초기 반응 온도까지 온도를 상승시키는데 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
배경기술의 단점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은, 개질 반응이 이루어지는 개질기 본체의 외벽에 촉매 연소기와 열교환기 및 가습기를 일체로 형성하고, 스택에서 배기되는 고온의 가스를 열교환기에 제공함으로써 동시에 촉매 연소기와 가습기로 고온의 열을 전달할 수 있도록 하는 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치를 제공함에 있다.
과제를 해결하기 위한 본 발명의 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치는 연료가스 유입구와 개질가스 배출구가 형성되며 연료가스 유입구를 통해 유입된 연료가스를 촉매 반응을 통해 개질가스로 변환하는 통 형상의 개질기 본체, 개질기 본체의 외벽면을 감싸는 촉매 연소기, 촉매 연소기의 외부를 커버하는 하우징, 하우징의 외부에 설치되고, 연료전지 스택에서 배출되는 배기 가스를 하우징 내부로 공급하는 열교환기 및 열교환기 외부에 설치되어 물 유입구를 통해 유입된 물을 열교환기와 열교환을 통해 수증기로 변화시켜 연료가스 유입구로 공급하는 가습기를 포함한다.
여기서, 열교환기는 하우징의 둘레에 나선형으로 권취되는 관체로서, 선단이 스택에 연결되고 종단이 하우징에 연결됨으로써, 관체의 표면으로 방출되는 열에 의해 가습기 내부가 가열되도록 하고 하우징 내부로 유입된 고온의 가스에 의해 촉매 연소기의 연소 반응에 의해 개질기 본체 내부가 가열되도록 한다.
또한, 촉매 연소기는 연소 촉매가 코팅된 금속 와이어 매쉬 구조체로서, 개질기 본체 내부에 균일한 열을 전달하도록 하고 장치 전체의 부피를 최소화 할 수 있다.
또한, 하우징의 일측에는 촉매 연소기의 촉매 반응을 촉진하기 위한 산소 공급관을 더 연결할 수 있다.
또한, 과제를 해결하기 위한 본 발명의 연료가스의 개질 방법은, 유입된 연료가스를 촉매 반응을 통해 개질가스로 변환하며 외벽면에 촉매 연소기가 설치된 개질기 본체와, 촉매 연소기의 외부를 커버하는 하우징과, 하우징의 외부에 설치되는 열교환기와, 열교환기 외부에 설치된 가습기를 포함하는 개질장치를 이용한 연료가스의 개질 방법에 있어서, 유입되는 연료 가스를 개질시켜 스택으로 공급하고, 스택에서 전기 화학 반응된 가스를 열교환기로 공급하여 촉매 연소기를 연소시켜 개질기 본체 내부를 가열하고, 가습기 내부의 물과 열교환기 간의 열교환에 의해 수증기가 생성되도록 하며, 열교환에 의해 생성된 수증기를 개질기 본체 내부로 공급한다.
본 발명은 개질 반응이 이루어지는 개질기 본체의 외벽에 촉매 연소기와 열교환기 및 가습기를 일체로 형성하여, 촉매 연소기와 가습기로의 열 공급 효율을 높여 개질기의 초기 반응을 위한 온도 분위기를 단시간에 형성하여 개질 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 연소 촉매가 코팅된 금속 와이어 매쉬 구조체로 이루어지는 촉매 연소기가 개질기 본체 외벽을 감싸도록 함으로써, 개질기 본체 내부에 균일한 열을 전달하도록 하고 장치 전체의 부피를 최소화 할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 고체 산화물 연료전지(SOFC) 시스템 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치를 갖는 고체 산화물 연료전지 시스템 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치의 단면 구조도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치를 갖는 고체 산화물 연료전지 시스템 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치의 단면 구조도로서, 본 발명의 개질장치(1)는 탈황기(2)와 스택(3) 사이에 구비되어 열 에너지에 의한 촉매 반응을 통해 탈황기(2)로부터 공급되는 연료가스를 개질시켜 스택(3)으로 공급한다.
우선, 탈황기(2)는 연료가스 공급부(4)로부터 공급된 연료가스 내에 함유된 황 성분을 제거하고, 스택(3)은 개질장치(1)로부터 배출되는 개질가스 즉, 수소를 산소와 반응시켜 이때 발생하는 고온(800℃)의 가스를 개질장치(1)로 배기한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치는 개질기 본체(11), 촉매 연소기(12), 하우징(13), 열교환기(14) 및 가습기(15)가 일체로 형성된 구조를 갖는다.
여기서, 개질기 본체(11)는 내부에 수증기 개질을 촉진하기 위한 개질 촉매가 충진된 원통 형상으로 이루어진 것으로서, 일단에는 연료가스 유입구(111)가 형성되고, 타단에는 개질가스 배출구(112)가 형성된다.
이에 따라, 연료가스 유입구(111)로 유입된 탈황 연료가스는 개질 촉매와 수증기에 의한 개질 반응에 의해서 수소가 풍부한 가스로 개질되고, 개질가스는 개질가스 배출구(112)를 통해 스택(3)으로 공급된다.
그리고, 촉매 연소기(12)는 개질기 본체(11)의 외벽면을 감싸 개질기 본체(11) 내부의 촉매 반응을 촉진하기 위해 필요한 열을 공급한다.
여기서, 촉매 연소기(12)는 연소 촉매가 코팅된 복수의 금속 와이어가 그물 구조로 교차하도록 형성된 매쉬 구조체로 이루어진다. 이에 따라, 촉매 연소기(12)는 개질기 본체(11) 내부로 열을 효과적으로 전달할 수 있으며, 개질기 장치의 전체 부피를 최소화할 수 있다.
또한, 하우징(13)은 촉매 연소기(12)의 외부를 커버하는 원통형 구조체로서, 하우징의 일측에는 촉매 연소기(12)의 촉매 반응을 촉진하기 위한 산소 공급관(131)과, 촉매 연소기(12)에 고온의 열을 전달한 가스를 보일러 및 기타 열교환 장치에 배출하여 다른 에너지 발생원의 열원으로 사용될 수 있도록 하는 가스 배출구(132)가 형성된다.
한편, 열교환기(14)는 하우징(13)의 외부에 설치되고, 연료전지 스택(3)에서 배출되는 고온의 배기 가스를 하우징(13) 내부로 공급함으로써, 하우징(13) 내부에 구비된 촉매 연소기(12)에 고온의 열을 전달한다.
구체적으로, 열교환기(14)는 하우징의 외부 둘레에 나선형으로 권취되는 관체로 이루어지며, 관체 형상의 열교환기(14) 선단은 스택(3)에 연결되고 종단은 하우징(13)에 연결된다. 이에 따라, 열교환기(14)는 하우징(13) 내부의 촉매 연소기(12) 뿐만 아니라 하우징(13)의 외부에 설치된 가습기(15) 내부를 가열하는 역할을 하게 된다.
여기서, 스택(3)에서 배기되는 고온의 가스에는 전기화학적인 반응이 이루어진 가스뿐만 아니라 전기 화학적인 반응이 이루어지지 않은 미반응 가스가 포함되어 있다. 이로써, 본 발명은 미반응된 가스를 낭비하지 않고 열원으로 이용할 수 있는 이점이 있다.
또한, 가습기(15)는 고온의 수증기를 개질기 본체(11) 내부에 공급하기 위한 것으로서, 물 유입구(151)과 수증기 배출구(152)가 형성된 통 형상의 구조체로 이루어지며 열교환기(14)의 외부에 설치된다.
이에 따라, 가습기(15)는 물 유입구(151)를 통해 유입된 물을 열교환기(14)와 열교환을 통해 고온의 수증기로 변화시켜, 연료가스 유입구(111)로 공급한다.
이하, 본 발명에 따른 작용을 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하도록 한다.
우선, 연료가스 공급부(4)로부터 공급된 연료가스는 탈황기(2)에서 황 성분이 제거된 후에 개질기 본체(11)의 선단에 형성된 연료가스 유입구(111)를 통해 개질기 본체(11) 내부로 유입된다.
이때, 스택(3)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지가 형성되는데, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 발생한 고온(800℃)의 가스가 열교환기(14)의 선단으로 유입된다.
이렇게 열교환기(14)의 선단으로 유입된 고온의 가스는 열교환기(14)를 순환하여 하우징(13) 내부로 유입된다. 또한, 열교환기(14)를 순환하는 고온의 가스는 가습기(15)내부로 유입된 물과 열교환하게 되고, 열교환에 의해 생성된 고온의 수증기는 연료가스 유입구(111)를 통해 개질기 본체(11) 내부로 유입된다.
그리고, 하우징(13) 내부의 촉매 연소기(12)는 열교환기(14)로부터 유입된 고온의 가스에 의해 고온 산화 촉매 반응을 하게 되고, 촉매 연소기(12)의 고온 산화 촉매 반응에 의해 개질기 본체(11) 내부가 가열된다.
여기서, 개질기 본체(11)는 연소 촉매가 코팅된 금속 와이어 매쉬 형태의 촉매 연소기(12)에 의해 외벽이 감싸졌기 때문에 개질기 본체(11) 내부에는 균일한 열이 공급된다.
이에 따라, 개질기 본체(11) 내부가 적정 온도로 가열되므로, 개질기 본체(11) 내부에 유입된 연료가스와 고온의 수증기 및 개질 촉매가 고온에서 개질 반응을 일으켜 수소가 풍부한 개질가스가 생성된다.
이렇게 생성된 개질가스는 다시 스택(3)으로 공급되고, 스택에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 생성하게 된다.
이와 같이 본 발명은 개질기 본체와, 촉매 연소기, 열교환기 및 가습기가 일체로 구비됨에 따라, 스택에서 발생된 고온 가스가 개질기 본체 내부의 개질 반응에 필요한 열을 제공할 뿐만 아니라 가습기의 수증기 발생을 위한 열을 동시에 제공할 수 있다.
1 : 개질장치 11 : 개질기 본체
111 : 연료가스 유입구 112 : 개질가스 배출구
12 : 촉매 연소기 13 : 하우징
131 : 산소 공급관 14 : 열교환기
15 : 가습기 151 : 물 유입구
152 : 수증기 배출구
2 : 탈황기 3 : 스택
4 : 연료가스 공급부

Claims (5)

  1. 연료가스 유입구와 개질가스 배출구가 형성되며 상기 연료가스 유입구를 통해 유입된 연료가스를 촉매 반응을 통해 개질가스로 변환하는 통 형상의 개질기 본체;
    상기 개질기 본체의 외벽면을 감싸는 촉매 연소기;
    상기 촉매 연소기의 외부를 커버하는 하우징;
    상기 하우징의 외부에 설치되고, 연료전지 스택에서 배출되는 배기 가스를 상기 하우징 내부로 공급하는 열교환기;
    상기 열교환기 외부에 설치되어 물 유입구를 통해 유입된 물을 상기 열교환기와 열교환을 통해 수증기로 변화시켜 상기 연료가스 유입구로 공급하는 가습기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 하우징의 둘레에 나선형으로 권취되는 관체로서, 선단이 상기 스택에 연결되고 종단이 상기 하우징에 연결되는 것을 특징으로 하는 가습기 및 열교환기 일체형 개질장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매 연소기는 상기 연소 촉매가 코팅된 금속 와이어 매쉬 구조체인 것을 특징으로 하는 고체 산화 연료전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징의 일측에는 상기 촉매 연소기의 촉매 반응을 촉진하기 위한 산소 공급관이 더 연결된 것을 특징으로 하는 고체 산화 연료전지 시스템.
  5. 유입된 연료가스를 촉매 반응을 통해 개질가스로 변환하며 외벽면에 촉매 연소기가 설치된 개질기 본체와, 상기 촉매 연소기의 외부를 커버하는 하우징과, 상기 하우징의 외부에 설치되는 열교환기와, 상기 열교환기 외부에 설치된 가습기를 포함하는 개질장치를 이용한 연료가스의 개질 방법에 있어서,
    유입되는 연료 가스를 개질시켜 스택으로 공급하고,
    상기 스택에서 전기 화학 반응된 가스를 상기 열교환기로 공급하여 상기 촉매 연소기를 연소시켜 개질기 본체 내부를 가열하고, 상기 가습기 내부의 물과 상기 열교환기 간의 열교환에 의해 수증기가 생성되도록 하며,
    상기 열교환에 의해 생성된 수증기를 상기 개질기 본체 내부로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 가스 개질 방법.
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KR101424488B1 (ko) * 2012-04-17 2014-08-04 주식회사 우신산업 개질장치의 열원공급구조
KR101439671B1 (ko) * 2012-12-21 2014-09-12 주식회사 포스코 가열통합형 연료전지 모듈

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