KR20130037807A - 물 예열 온도 상승을 통하여 개질 효율이 우수한 연료전지용 개질기 - Google Patents

물 예열 온도 상승을 통하여 개질 효율이 우수한 연료전지용 개질기 Download PDF

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Abstract

고온 개질부로 투입되는 H2O를 충분히 예열함으로써, 개질 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 개질기에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 연료전지용 개질기는 연료를 연소시켜 연소 가스를 발생시키는 버너부와, 상기 버너부에서 공급되는 연소 가스에 함유된 열을 제공받아 탄화수소계 연료와 기화된 상태의 H2O를 개질 반응시켜 H2 및 불가피한 CO를 생성하는 고온 개질부를 포함하는 고온 개질 모듈; 상기 H2, CO 및 잔류 H2O를 포함하는 고온 개질부 배출가스를 공급받아 상기 CO를 제거하는 CO 제거부와, 외부로부터 공급되는 H2O를 1차 승온하는 H2O 1차 승온부를 포함하는 CO 제거 모듈; 및 상기 고온 개질 모듈과 상기 CO 제거 모듈 사이에 형성되며, 열교환을 통하여 상기 1차 승온된 H2O를 2차 승온하는 H2O 2차 승온부를 포함하여, 2차 승온된 H2O를 상기 고온 개질 모듈로 공급하는 H2O 승온 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

물 예열 온도 상승을 통하여 개질 효율이 우수한 연료전지용 개질기 {REFORMER FOR FUEL CELL WITH EXCELLENT REFORMING EFFICIENCY BY PRE-HEATING TEMPERATURE RISE OF WATER}
본 발명은 연료전지 스택에 공급되는 수소(H2)를 생성하기 위한 연료전지용 개질기(reformer)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개질 반응에 참여하는 물(process H2O)을 미리 충분히 높은 온도로 승온시킴으로써 개질 효율을 높일 수 있는 연료전지용 개질기에 관한 것이다.
연료전지에 수소를 공급하기 위한 개질기는 천연가스(NG)와 같은 탄화수소계(hydrocarbon) 연료를 수소(H2)로 개질(reforming)한다. 이를 위하여, 개질기는 메탄(CH4) 등과 같은 탄화수소계 연료와 물(Process H2O)이 반응하여 다량의 수소로 개질하는 고온 개질부와, 고온개질에 의하여 불가피하게 생성되는 CO를 제거하는 CO 제거부를 포함한다.
고온 개질부와 CO 제거부 각각에서의 반응은 촉매 반응으로, 개질기가 정상적으로 구동하기 위해서는 상기 고온 개질부와 CO 제거부의 온도가 각각에 포함되는 촉매의 활성 온도에 맞추어져야 한다.
또한, 고온 개질부와 CO 제거부에는 반응에 참여하는 물이 기화된 상태로 공급되어야 한다. 그 이유는 촉매부에 액상의 물이 접촉하면 촉매의 성능이 저하될 수 있기 때문이다.
이를 위하여, 대한민국 특허공개공보 제10-2004-0012890(2004.02.11. 공개)에는 물을 예열하기 위한 원통식 수증기 개질기가 개시되어 있다. 그러나, 상기 문헌에 개시된 원통식 수증기 개질기의 경우, 물을 효율적으로 예열하기에는 예열 구간이 짧으며, 잠열에 의하여 예열 효율이 감소하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 충분한 예열 구간을 통하여 개질 반응에 참여하는 물의 예열 온도를 상승시켜, 전체적인 개질 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 개질기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 개질기는 연료를 연소시켜 연소 가스를 발생시키는 버너부와, 상기 버너부에서 공급되는 연소 가스에 함유된 열을 제공받아 탄화수소계 연료와 기화된 상태의 H2O를 개질 반응시켜 H2 및 불가피한 CO를 생성하는 고온 개질부를 포함하는 고온 개질 모듈; 상기 H2, CO 및 잔류 H2O를 포함하는 고온 개질부 배출가스를 공급받아 상기 CO를 제거하는 CO 제거부와, 외부로부터 공급되는 H2O를 1차 승온하는 H2O 1차 승온부를 포함하는 CO 제거 모듈; 및 상기 고온 개질 모듈과 상기 CO 제거 모듈 사이에 형성되며, 열교환을 통하여 상기 1차 승온된 H2O를 2차 승온하는 H2O 2차 승온부를 포함하여, 2차 승온된 H2O를 상기 고온 개질 모듈로 공급하는 H2O 승온 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 H2O 2차 승온부에서는 상기 고온 개질부 배출가스에 함유된 열이 상기 1차 승온된 H2O에 전달되어, 상기 1차 승온된 H2O가 2차 승온될 수 있다.
또한, 상기 H2O 2차 승온부에서는 상기 고온 개질 모듈로부터 배출되는 연소 가스에 함유된 열이 상기 1차 승온된 H2O에 전달되어, 상기 1차 승온된 H2O가 2차 승온될 수 있다.
또한, 상기 H2O 2차 승온부에서는 상기 고온 개질 모듈로부터 배출되는 연소 가스에 함유된 열 및 상기 H2를 포함하는 고온 개질부 배출가스에 함유된 열이 상기 1차 승온된 H2O에 순차적으로 전달되어, 상기 1차 승온된 H2O가 2차 승온될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 개질기는 CO 제거 모듈에서의 H2O 1차 승온과, 고온 개질 모듈로부터 공급되는 고온 개질부 배출가스 혹은 연소 가스와의 열교환에 의한 H2O 2차 승온을 통하여 H2O의 온도를 충분히 승온시킬 수 있으므로, 개질 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 개질기는 외부로부터 공급되는 H2O가 CO 제거부에 함유된 열을 전달받음으로써, CO 제거부의 온도 상승을 방지할 수 있다. 따라서, 발열 반응이 이루어지는 CO 제거부의 촉매 활성화 온도를 계속해서 유지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 개질기를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지용 개질기의 세부 구조를 나타낸 예이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지용 개질기의 세부 구조를 나타낸 다른 예이다.
도 4는 본 발명에 적용될 수 있는 CO 제거 모듈 구조를 나타낸 예이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 개질 효율이 우수한 연료전지용 개질기에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 개질기를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 2는 도 1에 도시된 연료전지용 개질기의 세부 구조를 나타낸 단면도들로서, 도 1에 도시된 연료전지용 개질기를 설명함에 있어, 도 2 및 도 3에 도시된 구조를 참조하기로 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 도시된 연료전지용 개질기는 고온 개질 모듈(110), CO 제거 모듈(120) 및 H2O 승온 모듈(130)을 포함한다.
상기의 고온 개질 모듈(110), CO 제거 모듈(120) 및 H2O 승온 모듈(130)을 포함하는 본 발명에 따른 연료전지용 개질기는 하나의 수직 원통형 구조를 가질 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에서, H2O는 하부 모듈인 CO 제거 모듈(120)으로 투입되어, 1차 승온, 2차 승온 및 3차 승온을 거쳐 상부 모듈인 고온 개질 모듈(110)로 공급될 수 있다.
또한, H2와 연소 가스(CG) 각각은 상부 모듈인 고온 개질 모듈(110)에서 생성된 후, 중앙에 위치하는 H2O 승온 모듈(130)을 거쳐 하부 모듈인 CO 제거 모듈(120)로 공급될 수 있다.
고온 개질 모듈(110)은 버너부(111)와 고온 개질부(112)를 포함한다.
버너부(111)는 연료를 연소시켜 열을 함유하는 연소 가스(combustion gas; CG)를 발생시킨다.
고온 개질부(112)는 버너부(111)에서 공급되는 연소 가스에 함유된 열을 제공받아 대략 700℃ 정도의 온도에서 탄화수소계 연료와 기화된 상태의 과량의 H2O를 개질 반응시켜 수소(H2)를 생성한다.
탄화수소계 연료(NG)는 예를 들면 메탄(CH4), 에탄(C2H6) 등을 포함하는 천연가스가 이용될 수 있다. 이러한 탄화수소계 연료는 고온 개질 모듈(110)에 직접 투입될 수 있다. 다만, 이 경우는 탄화수소계 연료(NG)와 H2O의 혼합 구간이 짧은 관계로 고른 혼합이 어려워질 수 있다. 따라서, 탄화수소계 연료는 후술하는 H2O 승온 모듈(130)에 투입되어, H2O와의 충분한 혼합이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
탄화수소계 연료와 H2O의 고온 개질 반응의 예로, 다음의 반응식 1을 제시할 수 있다.
반응식 1 : CH4 + H2O → H2 + CO + CO2 + CH4 + H2O
반응식 1의 경우, 충분히 많은 양의 CH4와 H2O를 투입하였을 때의 반응식으로 각 성분의 몰 수는 고려하지 않았다.
이때, 상기의 반응식 1에서도 볼 수 있는 바와 같이, 고온 개질 반응 결과, 상기 수소 외에도 불가피하게 일산화탄소(CO)도 생성된다. 또한, 고온 개질 반응 결과, 잔류 H2O도 존재하게 된다. 따라서, 고온 개질부(112) 배출가스는 H2, CO 및 잔류 H2O를 포함한다.
한편, 고온 개질부(112)에서의 개질 반응을 위하여 투입되는 H2O는 충분히 예열되어 높은 온도를 갖는 증기 상태로 공급될 때, 가장 높은 개질 효율을 갖는다. 이에 본 발명에서는 H2O의 충분한 예열을 위하여 H2O 승온 모듈(130)을 추가로 배치한다. 이때, H2O 승온 모듈(130)에서는 별도의 전열기 등을 사용하지 않고, 고온 개질 모듈(110)로부터 배출되는 고온 개질부 배출 가스 혹은 연소 가스를 이용하여 고온 개질부로 투입되는 H2O를 승온시킨다.
CO 제거 모듈(120)은 CO 제거부(121) 및 H2O 1차 승온부(122a, 122b)를 포함한다.
CO 제거부(121)는 고온 개질부(111)로부터 배출되는 상기의 H2, CO 및 잔류 H2O를 포함하는 고온 개질부 배출가스 중에 포함된 CO를 제거한다. 이를 위하여 CO 제거부(120)는 상기의 고온 개질부 배출가스를 공급받아, 정해진 온도에서 CO를 반응시켜 CO2 등의 형태로 제거한다.
CO 제거 반응의 예로, 다음의 반응식 2를 제시할 수 있다.
반응식 2 : CO + H2O → H2 + CO2
반응식 2에서, 반응 대상물인 CO와 H2O는 고온 개질부 배출가스 중에 포함된 것이다.
H2O 1차 승온부(122)는 외부로부터 공급되는 물을 1차 승온시키는 H2O 1차 승온부(122)를 포함한다.
H2O 1차 승온부(122)에서의 H2O의 승온은 연소 가스에 함유된 열이나 CO 제거부에 함유된 열이 H2O로 전달됨으로써 이루어질 수 있다.
1차 승온부(122)에서는 충분한 예열 효과를 얻기 위하여, 순차적인 H2O 승온이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 외부에서 공급된 물이 상대적으로 낮은 온도의 CO 제거부에 함유된 열을 전달받아 승온된 후, 상대적으로 높은 온도의 CO 제거부에 함유된 열을 전달받아 추가 승온될 수 있다. 또한, 다른 예로, 외부에서 공급된 물이 상대적으로 낮은 온도의 CO 제거부에 함유된 열을 전달받아 승온된 후, 상대적으로 높은 온도의 연소 가스에 함유된 열을 전달받아 추가 승온될 수 있다.
한편, 상기 반응식 2와 같이, CO 제거 반응은 주로 열을 방출하는 발열반응에 해당한다. 이는 CO 제거 반응이 이루어질 경우, CO 제거부의 온도가 상승하며, 주어진 반응온도, 즉 촉매 활성화 온도를 초과하여 시간의 경과에 따라 CO 제거부에서의 CO 제거 효율이 감소할 수 있다.
그러나, 본 발명에서와 같이, CO 제거부에 함유된 열을 이용하여 H2O의 1차 승온을 하는 경우, H2O의 예열 효과와 함께, CO 제거부의 온도 상승 방지를 통한 CO 제거 반응 효율 감소를 방지할 수 있는 효과를 가지게 된다.
또한, 연소 가스에 함유된 열이나 CO 제거부에 함유된 열을 이용하여 H2O의 1차 승온을 함으로써 별도의 전열기 등을 구비하지 않아도 되는 장점이 있다.
H2O 승온 모듈(130)은 고온 개질 모듈(110)과 CO 제거 모듈(120) 사이에 형성되며, H2O 2차 승온부(131)를 포함한다.
H2O 2차 승온부(131)의 입구는 CO 제거 모듈(120)의 H2O 출구(예를 들면, 도 2의 제2 H2O 1차 승온부(122b)의 출구)와 연결되고, 출구는 고온 개질 모듈(110)의 H2O 입구(예를 들면, 도 2의 H2O 3차 승온부(114)의 입구)에 연결될 수 있다.
H2O 2차 승온부(131)에서는 열교환을 통하여 CO 제거 모듈(120)의 H2O 1차 승온부(122)에서 1차 승온된 H2O를 2차 승온하여, 2차 승온된 H2O를 고온 개질 모듈(110)로 공급한다.
1차 승온된 H2O는 H2O 2차 승온부(131)에서 다음과 같은 과정으로 2차 승온될 수 있다.
우선, 도 2에 도시된 예와 같이, 고온 개질부 배출가스에 함유된 열이 1차 승온된 상태로 공급되는 H2O에 전달되어, H2O 2차 승온부(131)에서 1차 승온된 H2O가 2차 승온될 수 있다. 이 경우, H2O의 승온과 함께 고온 개질부 배출가스를 냉각할 수 있어, CO 제거 모듈(120)의 CO 제거부(121)에 투입되는 고온 개질부 배출가스의 온도를 조절할 수 있다.
이를 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이, H2O 승온 모듈(130)에는 H2O 2차 승온부(131)와 접촉하는 고온 개질부 배출가스 열 제공부(132)가 형성될 수 있다. 고온 개질부 배출가스 열 제공부(132)의 입구는 고온 개질 모듈(130)의 배출가스 출구와 연결되며, 출구는 외부 혹은 CO 제거 모듈(120)과 연결될 수 있다.
또한, 고온 개질 모듈(110)로부터 배출되는 연소 가스에 함유된 열이 1차 승온된 상태로 공급되는 H2O에 전달되어, H2O 2차 승온부(131)에서 1차 승온된 H2O가 2차 승온될 수 있다. 이 경우, 고온 개질 반응에 열을 제공한 후 외부로 배출되는 연소 가스를 다시 활용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 도 3에 도시된 예와 같이, 상기 고온 개질 모듈(110)로부터 배출되는 연소 가스에 함유된 열 및 상기 H2를 포함하는 고온 개질부 배출가스에 함유된 열이 상기 1차 승온된 H2O에 전달되어, H2O 2차 승온부(131)에서 1차 승온된 H2O가 2차 승온될 수 있다.
이를 위하여, H2O 승온 모듈(130)에는 도 3에 도시된 예와 같이, 고온 개질부 배출가스 열 제공부(132) 및 연소 가스 열 제공부(133)가 형성될 수 있다. 이때, H2O 2차 승온부(131)는 2개의 구간(131a, 131b)으로 구분될 수 있으며, 어느 하나의 구간(131b)은 고온 개질부 배출가스 열 제공부(132)에 접촉하고, 다른 하나의 구간(131a)은 연소 가스 열 제공부(133)에 접촉하도록 형성될 수 있다.
한편, 1차 승온된 H2O는 연소 가스에 함유된 열 및 고온 개질부 배출가스에 함유된 열을 동시에 전달받을 수 있다. 또한, 1차 승온된 H2O는 연소 가스에 함유된 열을 먼저 전달받은 후 고온 개질부 배출가스에 함유된 열을 전달받는 것과 같이 순차적으로 전달받을 수 있다.
1차 승온된 H2O가 순차적으로 열을 전달받는 경우, 예열 효율 향상을 위하여 연소 가스와 고온 개질부 배출가스 중 낮은 온도의 가스에 함유된 열이 먼저 전달된 후, 상대적으로 높은 온도의 가스에 함유된 열이 전달되는 것이 바람직하다.
상기와 같이, H2O는 CO 제거 모듈(110)에서의 1차 승온과 H2O 승온 모듈(130)에서의 2차 승온을 통하여 충분히 예열될 수 있다.
또한, H2O는 고온 개질 모듈(110)에서도 예열될 수 있다. 이를 위하여, 고온 개질 모듈(110)은 도 2에 도시된 예와 같이, 고온 개질 후 연소가스가 이동되는 구간에 해당하는 연소가스 이동부(113)에 접촉하는 H2O 3차 승온부(114)를 포함할 수 있다. H2O 3차 승온부(114)에서는 고온 개질 후의 연소 가스에 함유된 열이 2차 승온된 H2O에 전달되어, H2O 3차 승온부(114)에서 2차 승온된 H2O가 3차 승온될 수 있다.
도 2를 참조하면, CO 제거 모듈(120)은 제1 CO 제거부(121a, 121b)와 제2 CO 제거부(121c)를 포함하는 복수의 CO 제거부를 포함할 수 있다.
제1 CO 제거부(121a, 121b)에서는 고온 개질부 배출가스를 공급받으며, 고온 개질부 배출가스 중 CO와 H2O를 반응시켜 CO2를 생성하는 형태로 CO를 제거한다.
상기 제1 CO 제거부(121a, 121b)에서의 CO 제거 반응은 전술한 반응식 2로 표시될 수 있다.
상기의 제1 CO 제거부(121a, 121b)는 활성화 온도가 서로 상이한 촉매를 포함하는 고온 제1 CO 제거부(121a)와 저온 제1 CO 제거부(121b)를 포함할 수 있다. 이때, 고온 제1 CO 제거부(121a)의 경우, 350~500℃에서 활성화되는 HTS(High Temperature Shift) 촉매를 포함하여, 저온 제1 CO 제거부(121b)의 경우, 200~300℃에서 활성화되는 LTS(Low Temperature Shift) 촉매를 포함할 수 있다.
상기의 경우, 고온 개질 모듈(110)로부터 공급되는 고온 개질부 배출가스는 고온 제1 CO 제거부(121a)로 투입되고, 고온 제1 CO 제거부(121a)에서의 반응 결과물이 저온 제1 CO 제거부(121b)로 투입된다. 반대로, H2O의 경우, 저온 제1 CO 제거부(121b)의 열을 전달받아 승온된 후, 고온 제1 CO 제거부(121a)의 열을 전달받아 승온될 수 있다.
제2 CO 제거부(121c)에서는 제1 CO 제거부(121a, 121b)로부터 배출되는 제1 CO 제거부 배출가스 및 O2를 각각 공급받으며, 상기 제1 CO 제거부 배출가스 중 CO와 상기 O2를 반응시켜 CO2를 생성하는 형태로 CO를 제거한다.
상기 제2 CO 제거부(121c)에서의 CO 제거 반응은 하기 반응식 3으로 표시될 수 있으며, 이 반응은 대략 100℃에서의 발열반응에 해당한다.
반응식 3 : CO + 1/2O2 → CO2
한편, 제1 CO 제거부(121a, 121b) 및 제2 CO 제거부(121c)에서의 반응 모두 발열반응에 해당하지만, 제1 CO 제거부(121a, 121b)에서의 CO 제거 반응 온도가 제2 CO 제거부(121c)에서의 CO 제거 반응 온도보다 상대적으로 더 높다. 따라서, H2O의 예열 효과를 높이고, 각각의 CO 제거부의 온도를 유지하기 위해서는 H2O가 상대적으로 낮은 온도의 제2 CO 제거부(121c)의 열을 전달받아 승온된 후에 제1 CO 제거부(121a, 121b)의 열을 전달받아 승온되는 것이 바람직하다.
CO 제거부(121)가 도 2에 도시된 예와 같이, 중앙으로부터, 고온 제1 CO 제거부(121a), 저온 제1 CO 제거부(121b) 및 제2 CO 제거부(121c)를 포함하는 경우, H2O 예열 효과 및 CO 제거부(121) 온도 유지 효과를 얻기 위하여, H2O 1차 승온부(122a, 122b)는 제1 H2O 1차 승온부(122a) 및 제2 H2O 1차 승온부(122b)로 구분될 수 있다.
상기의 경우, 제1 H2O 1차 승온부(122a)는 제2 CO 제거부(121c)에 접촉되도록 형성될 수 있으며, 입구로 외부의 H2O가 공급되어, 제2 CO 제거부(121c)의 열에 의해 공급된 H2O가 승온될 수 있다.
또한, 제2 H2O 1차 승온부(122b)는 고온 제1 CO 제거부(121a)에 접촉되도록 형성되어 추가 승온이 이루어질 수 있다. 제2 H2O 1차 승온부(122b)의 입구는 제1 H2O 1차 승온부(122a)의 출구에 연결되고, 출구는 H2O 승온 모듈(130)의 H2O 2차 승온부(131)의 입구에 연결될 수 있다.
본 발명에서, 고온 개질 모듈(110), CO 제거 모듈(120) 및 H2O 승온 모듈(130)은 일체형 구조 혹은 분리형 구조로 형성될 수 있다.또한, 버너부(111), 고온 개질부(112), 제1 CO 제거부(121a, 121b), 제2 CO 제거부(121c) 등도 일체형 구조로 형성될 수 있으며, 또한, 분리형 구조로 형성될 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 본 발명에 적용되는 CO 제거 모듈(130)은 제2 CO 제거부(121c)로부터 배출되는 제2 CO 제거부 배출가스를 공급받으며, 제2 CO 제거부 배출가스 중 CO와 H2를 반응시켜 CH4를 생성하는 형태로 CO를 제거하는 제3 CO 제거부(121d)를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 CO 제거부(121d)에서의 반응은 하기의 반응식 4의 형태로 나타낼 수 있다.
반응식 4 : CO + 3H2 → CH4 + H2O
제 3 CO 제거부(121d)는 제1 CO 제거부(121a, 121b) 및 제2 CO 제거부(121c)에서 CO 제거 반응을 실시하더라도 CO의 농도가 수 ppm 단위로 되지 않을 경우, CO의 농도를 수 ppm 단위로 낮추는데 용이하게 활용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 적용될 수 있는 CO 제거 모듈 구조의 다른 예를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 도시된 CO 제거 모듈(120)은 중앙을 기준으로, 제3 H2O 1차 승온부(122c), 고온 제1 CO 제거부(121a), 제2 H2O 1차 승온부(122b), 연소가스 배출부(123), 저온 제1 CO 제거부(121b), 단열부(124) 및 제2 CO 제거부(121c)를 포함한다.
고온 제1 CO 제거부(121a)는 입구가 고온 개질부(111)와 연결된다. 저온 제1 CO 제거부(121b)는 입구가 고온 제1 CO 제거부(121a)의 출구와 연결된다. 제2 CO 제거부(121c)는 입구가 저온 제1 CO 제거부(121b)와 연결되고, 출구가 연료전지 스택(미도시)과 연결된다.
또한, 제2 H2O 1차 승온부(122b)는 고온 제1 CO 제거부(121a)와 연소가스 배출부(123) 사이에 위치하며, 입구로 외부의 물이 공급된다. 제3 H2O 1차 승온부(122c)는 고온 제1 CO 제거부(121a) 내부에 위치하며, 입구가 제2 H2O 1차 승온부(122b)의 출구와 연결되며, 출구가 H2O 승온 모듈(130)의 H2O 2차 승온부(131)의 입구와 연결된다.
도 4에 도시된 예에서는 외부의 H2O가 제2 H2O 1차 승온부(122b)로 공급되는 예를 나타내었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 외부의 H2O가 도 2 및 도 3에 도시된 제1 H2O 1차 승온부(122a)로 공급되고, 제1 H2O 1차 승온부의 출구가 제2 H2O 1차 승온부(122b)의 입구에 연결될 수도 있다.
특히, 도 4에 도시된 CO 제거 모듈의 경우, 고온 CO 제거부 내부에 제3 H2O 1차 승온부(122c)가 형성되어 있다. 이 경우, 고온 제1 CO 제거부의 열이 제3 H2O 1차 승온부(122c)로 전달됨으로써, 고온 제1 CO 제거부를 냉각할 수 있게 된다. 따라서, 고온 제1 CO 제거부 내부에 포함되는 HTS 촉매의 활성화 온도 유지 효과를 향상시킬 수 있다.
단열부(124)는 저온 제1 CO 제거부(121b)와 제2 CO 제거부(121c) 각각의 온도 유지를 위하여, 서로 간에 열이 전달되는 것을 차단한다.
도 3 및 도 4에서는 저온 제1 CO 제거부(121b)와 제2 CO 제거부(121c) 사이에 단열부(124)가 형성된 예를 나타내었으나, 이는 하나의 예시일 뿐 단열부의 형성 위치와 그 수는 다양하게 변화될 수 있다. 즉, 단열부는 고온 제1 CO 제거부(121a)와 저온 제1 CO 제거부(121b) 사이에 형성될 수도 있고, 제2 CO 제거부(121c)와 제3 CO 제거부(도 2의 121d) 사이에 형성될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 개질기는 CO 제거 모듈에서의 H2O 1차 승온, H2O 승온 모듈에서의 H2O 2차 승온 및 고온 개질 모듈에서의 H2O 3차 승온을 통하여, 고온 개질부에 투입되는 H2O를 충분히 예열할 수 있어, 개질 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 CO 제거 모듈을 통하여, 개질 생성 가스 및 연소 가스가 배출될 수 있으며, 배출되는 연소가스 및 개질 생성 가스는 H2O의 충분한 예열에 기여하게 되는 결과, 70℃ 이하의 온도로 배출될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110 : 고온 개질 모듈 111 : 버너부
112 : 고온 개질부 113 : 연소가스 이동부
114 : H2O 3차 승온부 120 : CO 제거 모듈
121 : CO 제거부 121a : 고온 제1 CO 제거부
121b : 저온 제1 CO 제거부 121c : 제2 CO 제거부
121d : 제3 CO 제거부 122a : 제1 H2O 1차 승온부
122b : 제2 H2O 1차 승온부 122c : 제3 H2O 1차 승온부
123 : 연소 가스 배출부 124 : 단열부
130 : H2O 승온 모듈 131 : H2O 2차 승온부
132 : 고온 개질부 배출가스 열 제공부
133 : 연소 가스 열 제공부 CG : 연소 가스
NG : 탄화수소계 가스

Claims (17)

  1. 연료를 연소시켜 연소 가스를 발생시키는 버너부와, 상기 버너부에서 공급되는 연소 가스에 함유된 열을 제공받아 탄화수소계 연료와 기화된 상태의 H2O를 개질 반응시켜 H2 및 불가피한 CO를 생성하는 고온 개질부를 포함하는 고온 개질 모듈;
    상기 H2, CO 및 잔류 H2O를 포함하는 고온 개질부 배출가스를 공급받아 상기 CO를 제거하는 CO 제거부와, 외부로부터 공급되는 H2O를 1차 승온하는 H2O 1차 승온부를 포함하는 CO 제거 모듈; 및
    상기 고온 개질 모듈과 상기 CO 제거 모듈 사이에 형성되며, 열교환을 통하여 상기 1차 승온된 H2O를 2차 승온하는 H2O 2차 승온부를 포함하여, 2차 승온된 H2O를 상기 고온 개질 모듈로 공급하는 H2O 승온 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 H2O 2차 승온부에서는
    상기 고온 개질부 배출가스에 함유된 열이 상기 1차 승온된 H2O에 전달되어, 상기 1차 승온된 H2O가 2차 승온되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 H2O 2차 승온부에서는
    상기 고온 개질 모듈로부터 배출되는 연소 가스에 함유된 열이 상기 1차 승온된 H2O에 전달되어, 상기 1차 승온된 H2O가 2차 승온되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 H2O 2차 승온부에서는
    상기 고온 개질 모듈로부터 배출되는 연소 가스에 함유된 열 및 상기 H2를 포함하는 고온 개질부 배출가스에 함유된 열이 상기 1차 승온된 H2O에 동시에 또는 순차적으로 전달되어, 상기 1차 승온된 H2O가 2차 승온되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고온 개질 모듈은
    고온 개질 후의 상기 연소 가스에 함유된 열이 상기 2차 승온된 H2O에 전달되어, 상기 2차 승온된 H2O가 3차 승온되는 H2O 3차 승온부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄화수소계 연료는
    상기 H2O 승온 모듈에 공급되어, 상기 1차 승온된 H2O와 혼합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 CO 제거 모듈에서는
    상기 고온 개질 모듈로부터 상기 연소 가스가 공급되어, 상기 연소 가스에 함유된 열이 상기 H2O 1차 승온부에 전달되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 CO 제거 모듈에서는
    상기 연소 가스에 함유된 열 및 상기 CO 제거부의 열이 동시에 또는 순차적으로 상기 H2O 1차 승온부에 전달되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 CO 제거 모듈에서는
    상기 CO 제거부의 열이 상기 H2O 1차 승온부에 전달되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 CO 제거 모듈은
    상기 고온 개질부 배출가스를 공급받으며, 상기 고온 개질부 배출가스 중 CO와 H2O를 반응시켜 CO2를 생성하는 형태로 CO를 제거하는 제1 CO 제거부와,
    상기 제1 CO 제거부로부터 배출되는 제1 CO 제거부 배출가스 및 O2를 각각 공급받으며, 상기 제1 CO 제거부 배출가스 중 CO와 상기 O2를 반응시켜 CO2를 생성하는 형태로 CO를 제거하는 제2 CO 제거부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 CO 제거 모듈은
    상기 제2 CO 제거부의 열 및 상기 제1 CO 제거부의 열이 상기 H2O 1차 승온부에 순차적으로 전달되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 CO 제거부는
    상기 고온 개질부 배출가스를 공급받아, 350~500℃에서 CO와 H2O가 반응되도록 하는 고온 제1 CO 제거부와,
    상기 고온 제1 CO 제거부에서의 반응 결과물을 공급받아, 200~300℃에서 CO와 H2O가 반응되도록 하여 상기 제1 CO 제거부 배출가스를 배출하는 저온 제1 CO 제거부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 CO 제거 모듈은
    상기 고온 제1 CO 제거부 내부에 상기 H2O 1차 승온부가 형성되어, 상기 고온 제1 CO 제거부의 열이 상기 H2O 1차 승온부로 전달되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 CO 제거 모듈은
    상기 제1 CO 제거부와 상기 제2 CO 제거부 사이에 단열부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 CO 제거 모듈은
    상기 제2 CO 제거부로부터 배출되는 제2 CO 제거부 배출가스를 공급받으며, 상기 제2 CO 제거부 배출가스 중 CO와 H2를 반응시켜 CH4를 생성하는 형태로 CO를 제거하는 제3 CO 제거부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 개질기는
    상기 버너부, 고온 개질부, 제1 CO 제거부 및 제2 CO 제거부가 일체형 또는 분리형 구조로 형성되는 것을 특징으로 연료전지용 개질기.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 개질기는
    상기 CO 제거 모듈을 통하여, 개질 생성 가스 및 연소 가스가 배출되며,
    상기 배출되는 연소가스 및 개질 생성 가스의 온도는 70℃ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기.
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