KR20120056069A - 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기에 관한 것이다. 이는 촉매층(11)이 내장되어 있는 반응부(10)와, 상기 반응부의 일측에 마련되어 가스 상태의 반응물질이 유입되는 유입부(20)와, 상기 반응부의 타측에 마련되어 있어 상기 반응물질이 상기 촉매층(11)과 반응한 후 배출되는 배출부(30)를 포함하는 원통형 촉매 연소기(1)에 있어서, 상기 유입부(20)의 단면은 상기 반응물질의 진행방향을 따라 점점 넓어지는 형상이며, 상기 유입부(20)가 가장 넓은 단면을 가진 부분에서 시작하여 상기 촉매층(11) 사이에 메탈폼층(400)이 설치되며, 상기 메탈폼층(400)은 다공성의 금속재료를 사용하여 형성된다. 이에 따라 메탈폼층을 이용하여, 메탈폼층 내의 공극을 통해 반응물질이 촉매층으로 분배되도록 함으로써 반응물질이 유입하는 부분의 부피가 최소화될 수 있으면서도 유동 분배효과를 여전히 얻을 수 있게 하는 등의 현저한 효과가 제공된다.

Description

메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기 {AN EXHAUST GAS COMBUSTOR OF FUEL CELL HAVING A METAL FORM LAYER}

본 발명은 일반적으로 연료전지용 배기가스 촉매 연소기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 다공성 메탈폼층을 이용하여 반응물질이 촉매 연소기의 유입부로 유입하여 촉매층으로 이동하는 흐름에 있어서, 반응물질이 촉매층에 균일하게 분포되도록 촉매층의 하단에 다공성 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기에 관한 것이다.

일반적으로 촉매 연소기는 연료전지에서 배출되는 배기가스를 연소시키기 위한 것으로서, 연소, 개질, 산화 또는 환원 반응 등 원하는 화학반응을 유발 또는 촉진시키기 위해 촉매층에 반응물질을 통과시키도록 한 것이다. 이러한 촉매 반응기의 적용분야에는, 연료전지의 배기가스를 처리하여 개질하는 분야 등이 포함될 수 있다.

이러한 촉매 연소기는 흡열 반응인 환원 반응을 수반하기 위해 발열반응인 산화 반응을 수행하는 것을 목적으로 하는데, 하나의 예로써, 증기/메탄 개질 반응인 H₂O + CH₄ → CO + 3H₂ 흡열 반응을 수행하기 위한 필요한 열을 제공하기 위하여, 메탄올을 연소시키는 반응 즉, CH₄ + 20₂ → CO₂ + 2H₂O의 발열 반응을 위해 촉매 연소기 내에서 팔라듐(pd) 또는 백금(pt) 등의 다수의 상이한 촉매를 사용하여 상기 반응을 수행한다.

종래 촉매 연소기의 구조는, 예컨대 대한민국 특허 등록번호 10-0778536에 개시되어 있고, 본 명세서에 첨부되어 있는 도 1에 도시된 원통형 구조가 알려져 있다. 이러한 촉매 연소기는 일반적으로 연소시 750℃ 이상의 온도에서 사용되는 점에 있어서, 부식 저항성이 있는 알루미늄을 함유하는 페라이트계 스틸로서 제조되어질 수 있다. 종래의 원통형 촉매 반응기(1)는 하단에 다공판층(40)이 구비되고 상단에 촉매층(11)을 구비하였으며, 상대적으로 넓은 직경의 반응부(10)의 상하로 연통하는 상대적으로 좁은 유입부(20) 및 유출부(30)로 구성되어 있다.

이러한 촉매 연소기에서 메탄올 등의 반응물질이 유입부(20)측으로 유입되고, 유입부(20)에서 유입된 반응물질은 반응부(10)의 촉매층(11)으로 접근하여 백금 또는 팔라듐의 촉매와 반응하게 된다. 여기서, 유입부(20)와 반응부(10)의 촉매층(11) 사이에 구비되는 유동 분배판이라고 불리는 다층의 다공판층(40)은 촉매층(11)의 직경 전체에 대하여 반응물질을 균일하게 분배시키는 역할을 한다. 이에 따라 유입부(20)에서 유입되는 반응물질은 다공판층(40)의 서로 엇갈리게 설치되어 있는 통공(41a)들을 통과하면서 촉매층(11) 전면에 걸쳐 고르게 분배되며, 이후 촉매층(11)을 통과하면서 발열반응인 촉매 연소 반응을 거쳐 유출부(30)에 연결되어 있는 예컨대 흡열반응이 일어나는 개질기(미도시)로 공급될 수 있다.

일반적으로 연료전지용 배가스에는 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 가스가 포함되어 있고, 이들 가스를 완전 연소시키기 위한 촉매는 통상 알루미나나 실리카로 제조한 촉매담체에 실제 촉매반응을 위한 백금(Pt)이나 팔라듐(Pd) 등의 금속을 담지하여 사용한다.

그런데, 상대적으로 좁은 유입부(20)로 유입되는 반응물질은 반응부(20) 근처에서 점차로 넓어지는 공간을 지나 촉매층(11)으로 접근하게 되는데, 이때 촉매층(11)의 직경 전체에 대하여 균일하게 분배시키는 기술이 중요하다. 왜냐하면, 반응물질이 균일하게 분배되지 않으면 촉매층(11)에서 국부적으로 집중적인 반응이 일어나게 되어 핫 스폿(hot spot)이 발생하여 촉매층의 내구성이 저하된다는 문제가 발생하기 때문이다.

따라서 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 종래기술에서는 별도의 다층의 다공판층(40)을 유입부(20)와 반응부(10)의 촉매층(11) 사이에 설치하였다. 다공판층(40)은 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 균일한 직경의 다수의 통공(41a)이 형성된 얇은 원판 형상의 단위 다공판(41)을 서로 일정한 간격을 가지고 겹치게 설치하되 이 서로 인접하는 다공판들의 통공들의 위치가 서로 엇갈리도록 하였다. 이에 따라 유입부(20)에서 유입되는 반응물질은 다공판층(40)의 서로 엇갈리게 설치되어 있는 통공(41a)들을 통과하면서 촉매층(11) 전면에 걸쳐 고르게 분배될 수 있었다.

그러나 이러한 종래의 분배판 구조에 의하면, 1장 이상의 다공판층을 설치하기 위한 공간과 이 다공판층에 반응물질이 유입되어야 할 공간이 필요하였기 때문에 촉매 연소 반응기의 부피가 커지게 된다는 단점이 있었다.

그러므로 원통형 촉매 반응기와 같은 구조를 채택하는 연료전지용 배가스 연소기 등에 있어서 유입되는 반응물질을 단면적 전체에 고르게 분배시킬 수 있으면서도 그 설치 공간이 최소화될 수 있는 새로운 유동 분배 구조에 대한 절실한 요구가 여전히 존재한다.

본 발명은 상술한 종래 연료전지용 배기가스 연소기의 유동 균일화 기술을 개선하고 다양한 추가 장점을 제공하기 위하여 발명된 것이다. 본 발명은 펠릿 타입의 더미층을 이용하여 반응물질이 촉매층에 유입하는 부분의 부피가 최소화될 수 있으면서도 유동 분배효과를 여전히 얻을 수 있게 한 새로운 더미층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기에 의하여 달성된다.

본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기는, 촉매층이 내장되어 있는 반응부와, 상기 반응부의 일측에 마련되어 가스 상태의 반응물질이 유입되는 유입부와, 상기 반응부의 타측에 마련되어 있어 상기 반응물질이 상기 촉매층과 반응한 후 배출되는 배출부(30)를 포함하는 원통형 촉매 연소기에 있어서, 상기 유입부의 단면은 상기 반응물질의 진행방향을 따라 점점 넓어지는 형상이며, 상기 유입부가 가장 넓은 단면을 가진 부분에서 시작하여 상기 촉매층 사이에 메탈폼층이 설치되며; 상기 메탈폼층은 다고성의 금속재료를 사용하여 형성할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 메탈폼층의 공극율은 75 내지 95%이며, 그 공극의 크기는 1 내지 5 mm의 직경을 가진다.

다른 실시예에 있어서, 상기 메탈폼층의 반응물질의 통과 방향으로의 길이 즉, 두께는 1 ~ 10 cm이다.

또한, 다른 실시예에 있어서 상기 메탈폼층을 구성하는 금속재료는 Fe계열 또는 Ni계열의 금속이다.

상술한 구성을 가지는 본 발명에 따른 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기는, 메탈폼층을 이용하여 메탈폼층 내의 공극을 통해 반응물질이 촉매층으로 분배되도록 함으로써 동일한 유동 분배효과를 여전히 얻을 수 있으면서 종래의 기술보다 유입부의 부피를 최소화 할 수 있다는 현저한 효과가 제공된다.

도 1은 종래기술에 따른 유동 분배판 구조를 설명하기 위한 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기 구조의 예를 보여주는 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기의 메탈폼층의 형상의 예를 보여주는 사진.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배가스 연소기 구조의 예를 보여주는 개략도이며, 도 3은 메탈폼층의 예를 보여주는 사진이다.

본 발명에 따른 촉매 연소기는 촉매층(11)이 내장되어 있는 반응부(10)와, 상기 반응부의 일측에 마련되어, 가스 상태의 반응물질이 유입되는 유입부(20)와, 상기 반응부의 타측에 마련되어 있어 반응물질이 촉매층(11)과 반응한 후 배출되는 배출부(30)를 포함한다.

본원 발명의 촉매 연소기 및 개질기 내에서의 반응물질의 흐름을 설명하면 다음과 같다. 일반적으로, 메탄올 등의 반응물질이 촉매 연소기의 유입부를 통해 촉매 연소기 내로 유입되고, 반응물질은 서로 엇갈리게 설치되어 있는 유동 분배판의 다공판층 통공(41a)들을 통과하여 백금 또는 팔라듐의 이중 촉매층(110) 전면에 걸쳐 고르게 분배된다. 반응물질은 이중 촉매층의 전단(112)에서 첫 번째 촉매 반응을 하고 이중 촉매층의 후단(114)에서 두 번째 촉매 반응을 수행한다. 이러한 발연 반응을 통해 생성된 열은 개질기로 전달되고, 이러한 열을 사용하여 개질기 내에서 흡열 반응을 통해 증기/메탄 개질 반응이 수행된다.

유입부로 들어가는 반응물질은 촉매층에 균일하게 분포되어야 하는데 그렇지 않을 경우, 촉매층에서 국부적으로 집중적인 반응이 일어나게 되어 hot spot과 같이 촉매의 내구성의 저하를 일으키는 문제점이 발생할 수 있다.

종래 기술은 반응물질을 촉매층에 골고루 분배하기 위해 촉매 연소기 내에 하나 또는 복수의 다공판층을 사용하였다. 그러나 이러한 다공판층의 설치는 일정 부위의 유입부가 필요하기 때문에 촉매 연소기의 부피가 다공판층의 부피만큼 함께 커지게 되는 단점이 있어 제조비용 및 설치에 있어서 문제점이 있었다.

촉매 연소기의 유입부(20)의 단면은 예컨대 깔대기의 형상과 같이 반응물질의 진행방향을 따라 점점 넓어지는 형상이다. 유입부(20)가 가장 넓은 단면을 가진 부분에서 시작하여 촉매층(11) 사이에 메탈폼층(400)이 설치된다. 이 메탈폼층(400)은 다공성의 금속 재료를 사용하여 형성할 수 있다. 메탈폼층에 사용하는 메탈폼(metal foam)의 예가 도 3에 예시된다.

메탈폼을 구성하는 금속재료는, 촉매 연소기의 작동 온도가 고온이기 때문에 고온 산화 특성을 지니는 금속 재료를 사용하여야 한다. 예를 들어 메탈폼을 형성하기 위하여 Fe계열(예, 310S 스테인레스 스틸), Ni계열(Inconel) 등이 사용될 수 있다.

메탈폼은 일종의 금속으로 된 스폰지 형태이고, 가공이 쉽기 때문에 어떠한 형태로도 적응가능하며, 예를 들어 세라믹 재질보다 더 가볍다는 장점을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 메탈폼층에 사용되는 메탈폼은 1 ~ 5 mm 가량의 직경을 가지는 공극이 형성되는 것이 바람직하다. 공극의 구멍직경이 1 mm 보다 작으면 메탈폼층 양단의 차압이 높아서 부적절하다. 반면에, 5 mm 보다 큰 직경의 메탈폼층은 유동이 불안정해지기 때문에 부적절하다.

바람직한 실시예에 있어서, 이 메탈폼층(400)의 공극율은 약 75 ~ 95 %이며, 반응물질의 통과 방향으로의 길이 즉 두께는 1 ~ 10 cm인 것이 바람직하다. 공극율이 75% 보다 작으면 메탈폼층 양단간에 압력차 즉 차압이 발생하므로 부적합하고, 공극율이 95%보다 크면 유동이 불안정해지므로 부적절하다. 두께가 1 cm 보다 작으면 유동이 불안정해지며, 10 cm 보다 크면 차압이 발생하므로 부적합하다.

상술한 바와 같은 구조의 본 발명에 따른 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배가스 연소기에 따르면, 별도의 다공성판을 추가 설치할 필요없이, 다공성의 금속 재료의 메탈폼층을 이용하여 반응가스를 분배할 수 있다. 더 나아가 메탈폼층은 필터층에 인접하여 설치가능하고, 반응물질이 유입하는 부분의 부피가 최소화될 수 있어 연소기의 전체적인 부피를 작게 할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 명세서에서 설명된 여러 가지 특징을 참조하고 조합하여 다양한 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위가 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 함을 지적해둔다.

1 : 원통형 촉매 반응기
10 : 반응부
11 : 촉매층
20 : 유입부
30 : 배출부
40 : 다공판층
41: 단위 다공판
41a : 통공
400 : 메탈폼층

Claims (5)

1. 촉매층(11)이 내장되어 있는 반응부(10)와, 상기 반응부의 일측에 마련되어 가스 상태의 반응물질이 유입되는 유입부(20)와, 상기 반응부의 타측에 마련되어 있어 상기 반응물질이 상기 촉매층(11)과 반응한 후 배출되는 배출부(30)를 포함하는 원통형 촉매 반응 연소기(1)에 있어서,
   상기 유입부(20)의 단면은 상기 반응물질의 진행방향을 따라 점점 넓어지는 형상이며, 상기 유입부(20)가 가장 넓은 단면을 가진 부분에서 시작하여 상기 촉매층(11) 사이에 메탈폼층(400)이 설치되고,
   상기 메탈폼층(400)은 다공성의 금속 재료를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 메탈폼층(400)의 공극의 직경 크기는 1내지 5 mm인 것을 특징으로 하는 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 메탈폼층(400)의 공극율은 75 내지 95%인 것을 특징으로 하는 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 메탈폼층(400)의 두께는 1 내지 10 cm인 것을 특징으로 하는 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 메탈폼층(400)을 구성하는 금속 재료는 Fe계열 또는 Ni 계열의 금속인 것을 특징으로 하는 메탈폼층을 구비하는 연료전지용 배기가스 연소기.
   

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