KR20120122319A - 연료전지용 통합형 개질기 시스템 - Google Patents

연료전지용 통합형 개질기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 통합형 개질기 시스템에 관한 것이다. 이는 천연가스와 수증기의 흡열반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 개질촉매부(20a) 및 이 개질촉매부에 반응열을 제공하는 연소가스를 유동시키는 연소촉매부(20b)를 구비한 연료전지용 통합형 개질기 시스템(20)에 있어서, 상기 개질촉매부(20a)를 상부면이 폐쇄된 원통형태로서 개질가스의 공급 및 배출관(21, 25)이 그 상부면에 배치되는 역U자 형태로 구성하고 상기 역U자 형태의 상부면과 측면의 상부측에 개질촉매(23)를 배치한 개질촉매관(22)을 구비하며, 또한 상기 연소촉매부(20b)가 상기 개질촉매부(20a)의 역U자 원통 형태의 내측면과 외측면에서 완전히 감싸 인접하도록 구성한다. 이에 따라, 개질촉매부의 온도저하를 효과적으로 방지하여 열효율을 극대화할 수 있는 등의 효과를 제공한다.

Description

연료전지용 통합형 개질기 시스템{Integrated Reformer System for a Fuel Cell}
본 발명은 일반적으로 연료전지용 통합형 개질기 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 천연가스와 수증기의 흡열반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 개질촉매부 및 이 개질촉매부에 반응열을 제공하는 연소가스를 유동시키는 연소촉매부를 구비한 연료전지용 통합형 개질기 시스템에서, 개질촉매부를 가스입출구가 동일측에 배치되는 역U자 형태로 구성하고 또한 연소촉매부가 이 개질촉매부를 완전히 감싸도록 구성함으로써, 개질촉매부의 온도저하를 효과적으로 방지하여 열효율을 극대화할 수 있도록 한 새로운 연료전지용 통합형 개질기 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연료의 연소(산화)반응을 이용하지 않고 수소와 산소의 전기화학적 반응을 이용하여 반응 전후의 에너지 차이를 전기에너지로 직접 변환하는 장치를 말한다. 연료전지는 연료극(anode)에 연료(수소가스나 탄화수소)를 공급하고 공기극(cathode)에 산소를 공급하여 전기에너지를 생산한다. 도 1에는 일반적인 소규모 발전용 수소 연료전지 시스템이 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 일반적인 수소 연료전지 시스템은 연료 저장부(1), 연료 공급부(2), 연료전지 스택부(3), 공기 공급부(4) 및 전기에너지 출력부(5)를 구비할 수 있다. 연료 저장부(1)는 천연가스(LNG)와 같은 연료를 저장하고 공급하는 부분이며, 연료 공급부(2)는 연료 저장부(1)로부터 공급되는 천연가스와 물을 반응시켜 수소 가스를 생성시킨 후, 이 수소 가스를 공급하는 부분이다. 연료전지 스텍부(3)는 연료 공급부(2)로부터 공급된 수소 가스와 공기 공급부(4)로부터 공급되는 공기 속의 산소 가스를 이용하여, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극(31)와 공기극(32)을 구비하며, 연료전지 스택부(3)에 의해 생성된 전기에너지는 전기에너지 출력부(5)를 통해 외부로 출력될 수 있다. 이 외에 각부를 제어하는 제어부(미도시)가 구비될 수 있다.
개질기(reformer)는 연료 공급부(2) 내에 구비되는 주요 부품으로서, 개질반응을 통해 천연가스와 같은 연료로부터 수소를 생성하는 장치이다. 수소가 생성되는 반응은 개질촉매에 의하여 이루어지며 흡열반응이기 때문에 외부로부터 반응열이 공급되어야만 한다. 반응열은 개질기 내에 버너/연소촉매 등의 열공급원을 두어 공급한다.
개질기의 열효율은 연료전지 전체의 효율에 영향을 미치는 주요한 인자이다. 따라서 개질기의 열효율을 극대화함으로써 연료전지의 에너지 효율을 높여야 한다는 기술적 요구가 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 보완하고 다양한 추가 장점을 제공하기 위하여 발명된 것이다. 본 발명은 천연가스와 수증기의 흡열반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 개질촉매부 및 이 개질촉매부에 반응열을 제공하는 연소가스를 유동시키는 연소촉매부를 구비한 연료전지용 통합형 개질기 시스템에서, 개질촉매부를 가스입출구가 동일측에 배치되는 역U자 형태로 구성하고 또한 연소촉매부가 이 개질촉매부를 모든 측면에서 완전히 감싸도록 구성함으로써, 개질촉매부의 온도저하를 효과적으로 방지하여 열효율을 극대화할 수 있도록 한 새로운 연료전지용 통합형 개질기 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적들은 본 발명에 따라 제공되는 연료전지용 통합형 개질기 시스템에 의하여 달성된다.
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 연료전지용 통합형 개질기 시스템은, 천연가스와 수증기의 흡열반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 개질촉매부 및 이 개질촉매부에 반응열을 제공하는 연소가스를 유동시키는 연소촉매부를 구비한 연료전지용 통합형 개질기 시스템에 있어서, 상기 개질촉매부를 상부면이 폐쇄된 원통형태로서 개질가스의 공급 및 배출관이 그 상부면에 배치되는 역U자 형태로 구성하고 상기 역U자 형태의 상부면과 측면의 상부측에 개질촉매를 배치한 개질촉매관을 구비하며, 또한 상기 연소촉매부가 상기 개질촉매부의 역U자 원통 형태의 내측면과 외측면에서 완전히 감싸 인접하도록 구성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 개질촉매부의 역U자 원통 형태의 내측면과 외측면에서 완전히 감싸 인접하도록 구성한 상기 연소촉매부에 공급되는 연소가스는, 먼저 상기 개질촉매부의 연U자 원통 형태의 내측면 쪽의 하부측으로부터 공급되어 가열원에 의해 가열된 후에, 상기 개질촉매부의 연U자 원통 형태의 내측면의 상부측에 배출되고, 이후 상기 개질촉매부의 연U자 원통 형태의 내측면을 따라 하강하고 나서 상기 개질촉매부의 연U자 원통 형태의 외측면을 따라 상승하는 유동 경로를 가지도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 연소촉매부의 연소가스 배출관은 상기 개질가스의 공급 및 배출관을 외부에서 감싸는 구조를 가질 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 연소촉매부에 공급되는 연소가스는 연료전지 스택부에서 배출되는 배출가스(Off-Gas)인 것이 바람직하다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 개질촉매부의 역U자 형태의 상부면과 측면의 상부측에 개질촉매(23)를 배치한 개질촉매관에는, 개질촉매를 가로질러 열을 전도함으로써 개질촉매에 열이 신속하게 전달되도록 하는 열전도부가 더 구비될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 개질촉매를 가로질러 열을 전도하는 열전도부는 메탈폼(metal form)에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.
상술한 구성을 가지는 본 발명은, 천연가스와 수증기의 흡열반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 개질촉매부 및 이 개질촉매부에 반응열을 제공하는 연소가스를 유동시키는 연소촉매부를 구비한 연료전지용 통합형 개질기 시스템에서, 개질촉매부를 가스입출구가 동일측에 배치되는 역U자 형태로 구성하고 또한 연소촉매부가 이 개질촉매부를 모든 측면에서 완전히 감싸도록 구성함으로써, 개질촉매부의 온도저하를 효과적으로 방지하여 열효율을 극대화할 수 있는 등의 현저한 효과를 제공한다.
도 1은 일반적인 수소 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 보여주는 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 통합형 개질기 시스템의 구성을 보여주는 개략적인 수직 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 실시예에서 연소촉매부와 개질촉매부 사이의 위치관계를 직관적으로 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 통합형 개질기 시스템의 구성을 보여주는 개략적인 부분 수직 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 3에 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 통합형 개질기 시스템(20)의 구조가 개략적인 측단면도로서 도시되어 있다. 연료전지용 통합형 개질기 시스템(20)은 도 3에 직관적으로 도시된 바와 같이, 서로 구별되는 두 개의 유로를 가지는데 하나는 개질가스가 유동하는 개질촉매부(20a)이고, 다른 하나는 연소가스가 유동하는 연소촉매부(20b)이다. 개질촉매부(20a)는 천연가스와 수증기가 혼합된 상태의 개질가스가 공급된 후, 개질촉매(23)에서 흡열반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스로서 개질한 후 배출하는 장치이다. 연소촉매부(20b)는 개질촉매부(20a)의 개질촉매(23)에서의 흡열반응에 필요한 반응열을 제공하는 장치이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 연료전지용 통합형 개질기 시스템(20)에서 개질촉매부(20a)가 연소촉매부(20b)에 의하여 완전히 감싸인 구조를 가진다.
개질촉매부(20a)는 개질가스가 유동하는 유로이며, 천연가스와 수증기로부터 수소를 생성하기 위한 개질촉매(23)를 구비한다.
특히 본 발명에 따라 개질촉매부(20a)는 상부면이 폐쇄된 원통형태로서 역U자 형태를 가진다. 예컨대 천연가스와 수증기가 혼합된 형태일 수 있는 개질가스(A1)가 인입하는 개질가스 공급관(21)은 이 역U자 원통 형태의 상부면에 설치된다. 수소가스가 풍부한 상태로 변환된 개질가스(A2, A3)가 배출되는 개질가스 배출관(25)도 역시 이 역U자 원통 형태의 상부면에 설치되는데, 개질가스 배출관(25)은 개질가스 공급관(21)의 외부를 감싸는 형태로 배치될 수 있다.
개질가스는 개질가스 공급관(21)을 통해 개질촉매부(20a)로 들어온 후, 역U자 형태의 개질촉매부(20a)의 상부면과 측면의 상부측에 개질촉매관(22)을 통해 유동하면서, 개질촉매관(22) 내부에 배치된 개질촉매(23)를 통과하게 된다.
개질촉매(23)는 천연가스와 수증기가 서로 반응하도록 함으로써 수소 가스가 생성되도록 한다. 이 반응은 흡열반응이기 때문에, 외부에서 열이 공급되지 않는 경우 개질촉매(23)는 온도가 급격히 하락할 수 있고, 충분히 높은 온도가 아닌 경우 개질 반응이 일어나지 않게 된다. 따라서 개질촉매(23)의 온도를 적정한 범위로 유지하는 것이 중요하다.
개질촉매관(22)을 통과한 개질가스(A2)는 수소가스가 풍부한 상태로 된 개질가스이다. 이후 개질가스는 개질촉매부(20a)의 역U자 원통 형태의 개질촉매관(22)의 하부와 외측면에 인접하여 역U자 원통 형태의 측면을 구성하는 개질가스 환류관(24)을 통과한 후, 상부면에 배치되어 있는 개질가스 배출관(25)을 통하여 배출될 수 있다.
연소촉매부(20b)는 연소가스가 유동하는 유로를 구성하며, 연소가스에 열을 공급하기 위하여 연소촉매 또는 버너와 같은 가열원(263)을 구비한다.
특히 본 발명에 따라, 연소촉매부(20b)는 개질촉매부(20a)의 역U자 원통 형태의 내측면과 외측면에서 완전히 감싸 인접하도록 구성한다.
즉, 연소촉매부(20b)에 공급되는 연소가스(B1)는, 먼저 개질촉매부(20a)의 연U자 원통 형태의 내측면 쪽의 하부측에 설치된 연소가스 공급관(261)을 통해 공급될 수 있다.
연소가스 공급관(261)을 통해 공급되는 연소가스(B1)는 연료전지 스택부(3)에서 배출되는 배출가스(Off-Gas)일 수 있다. 연료전지 스택부(3)는 위에서 언급한 바와 같이, 산소와 수소의 반응에 의하여 전기에너지를 생성하며, 부수물로서 약 430℃ 정도의 고온의 가스를 배출할 수 있다. 이 고온의 배출가스(Off-Gas)를 개질기(20)에서 재사용함으로써 연료전지 시스템 전체의 열효율을 증가시킬 수 있다.
연소가스 공급관(261)으로부터 공급된 연소가스는, 예컨대 연소촉매 또는 버너와 같은 가열원(263)에 의해 가열될 수 있다. 이 가열원(263)은 연소가스가 유동하는 유로에 배치되며, 도시된 예에서 연소촉매로 된 가열원(263)이 배치된 연소촉매관(262)은 개질촉매부(20a)의 연U자 원통 형태의 내측면에 의하여 형성된 공간에 배치되어 있다.
이 예에서와 같이, 가열원(263)에 의하여 가열된 연소가스는 개질촉매부(20a)의 역U자형태의 개질촉매관(22)의 측면측이 아니라 상부측, 즉 연소가스 고온부(264)에 배출될 수 있다. 개질촉매관(22)의 상부측에는 개질가스(A1)가 개질촉매(23)에 공급되기 시작하는 곳으로서, 실무적으로 가장 온도저하가 심하게 발생하는 지점이다. 이는 다시 말해서 이 부분이 가장 반응열을 크게 요구하는 지점이라는 의미일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 가열원(263)에 의하여 가열된 직후여서 가장 높은 온도를 가지는 연소가스가 가장 반응열을 많이 필요로 하는 부분에 집중적으로 공급된다는 특징을 가진다.
연소가스 고온부(264)로 배출된 고온의 연소가스는 화염부상효과 및/또는 복사열전달 효과 등에 의하여 개질촉매관(22)과 그 내부의 개질촉매(23)에 열교환을 통한 열전달 작용을 수행할 수 있다.
이후 연소가스는 개질촉매부(20a)의 연U자 원통 형태의 내측면을 따라 인접하게 설치되어 있는 연소가스 환류관(265)을 따라 하강하고, 이어서 개질촉매부(20a)의 연U자 원통 형태의 외측면을 따라 인접하게 설치되어 있는 연소가스 환류관(266)을 따라 상승하면서 개질촉매부(20a)에 열을 공급하게 된다.
이렇게 개질촉매부(20a)의 형태를 따라 감싸면서 인접하는 유동 경로를 따라 유동하는 연소가스(B2)는 연소가스 배출관(267)을 통해 배출되는데, 이때, 연소가스 배출관(267)은 개질가스의 공급 및 배출관(21, 25)을 외부에서 감싸는 구조를 가지는 것이 바람직하다. 이는 개질가스가 배출되는 때에도 연소가스에 의하여 보온이 유지되도록 하는 장점을 제공할 수 있다.
도 4에 도시된 바를 참조하면, 연소가스의 열이 개질촉매(23)에 전달되기 용이하게 하기 위한 구조가 도시된다. 즉 본 발명에 따라 개질촉매부(20a)의 역U자 형태의 상부면과 측면의 상부측에 개질촉매(23)를 배치한 개질촉매관(22)에는, 개질촉매(23)를 가로질러 열을 전도함으로써 개질촉매(23)에 열이 신속하게 전달되도록 하는 열전도부(220)가 더 구비될 수 있다.
이 열전도부(220)는 열전도율이 높은 금속재질로 제조되는 것이 바람직하며, 개질촉매(23)를 통과하는 개질가스의 유동을 방해하지 않는 구조를 가지는 것이 바람직하다. 그러므로 열전도부(220)는 금속재질로서 다공 구조를 갖는 메탈폼(metal form)에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.
이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 명세서에서 설명된 여러 가지 특징을 참조하고 조합하여 다양하고 변형된 구성이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위가 설명된 실시 예에만 국한되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 함을 지적해둔다.
20 : 개질기
20a : 개질촉매부
20b : 연소촉매부
21 : 개질가스 공급관
22 : 개질촉매관
220 : 메탈폼층
23 : 개질촉매
24 : 개질가스 환류관
25 : 개질가스 배출관
261 : 연소가스 공급관
262 : 연소촉매관
263 : 연소촉매
264 : 연소가스 고온부
265, 266 : 연소가스 환류관
267 : 연소가스 배출관

Claims (6)

  1. 천연가스와 수증기의 흡열반응에 의해 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 개질촉매부(20a) 및 이 개질촉매부에 반응열을 제공하는 연소가스를 유동시키는 연소촉매부(20b)를 구비한 연료전지용 통합형 개질기 시스템(20)에 있어서,
    상기 개질촉매부(20a)를 상부면이 폐쇄된 원통형태로서 개질가스의 공급 및 배출관(21, 25)이 그 상부면에 배치되는 역U자 형태로 구성하고 상기 역U자 형태의 상부면과 측면의 상부측에 개질촉매(23)를 배치한 개질촉매관(22)을 구비하며, 또한 상기 연소촉매부(20b)가 상기 개질촉매부(20a)의 역U자 원통 형태의 내측면과 외측면에서 완전히 감싸 인접하도록 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지용 통합형 개질기 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 개질촉매부(20a)의 역U자 원통 형태의 내측면과 외측면에서 완전히 감싸 인접하도록 구성한 상기 연소촉매부(20b)에 공급되는 연소가스는, 먼저 상기 개질촉매부(20a)의 연U자 원통 형태의 내측면 쪽의 하부측으로부터 공급되어 가열원(263)에 의해 가열된 후에, 상기 개질촉매부(20a)의 연U자 원통 형태의 내측면의 상부측에 배출되고, 이후 상기 개질촉매부(20a)의 연U자 원통 형태의 내측면을 따라 하강하고 나서 상기 개질촉매부(20a)의 연U자 원통 형태의 외측면을 따라 상승하는 유동 경로를 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 통합형 개질기 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 연소촉매부(20b)의 연소가스 배출관(267)은 상기 개질가스의 공급 및 배출관(21, 25)을 외부에서 감싸는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 통합형 개질기 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 연소촉매부(20b)에 공급되는 연소가스는 연료전지 스택부(3)에서 배출되는 배출가스(Off-Gas)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 통합형 개질기 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 개질촉매부(20a)의 역U자 형태의 상부면과 측면의 상부측에 개질촉매(23)를 배치한 개질촉매관(22)에는, 개질촉매(23)를 가로질러 열을 전도함으로써 개질촉매(23)에 열이 신속하게 전달되도록 하는 열전도부(220)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 통합형 개질기 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 개질촉매(23)를 가로질러 열을 전도하는 열전도부(220)는 메탈폼(metal form)에 의해 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 통합형 개질기 시스템.
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