KR20130075491A - 연료전지용 촉매연소기 - Google Patents

Abstract

연료전지용 촉매연소기는, 연료전지 스택의 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스와 공기를 포함하는 산화제 공급가스를 혼합하는 혼합부, 및 혼합부로부터 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합가스를 공급받아 혼합가스 내의 산화제 공급가스를 가열하기 위해 연료극 배기가스 중의 미반응 연료를 연소시키는 연소부를 포함하며, 상기 혼합부는 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합에 따라 발생하는 화염을 안정적으로 발화시키기 위해 혼합가스의 균일한 유동을 촉진하는 촉진 부재를 포함한다.

Description

연료전지용 촉매연소기 {CATALYTIC OXIDIZER FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 촉매연소기에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합으로 발생하는 예비 연소 시에 보다 안정적으로 화염을 발화시킬 수 있는 연료전지용 촉매연소기에 관한 것이다.

연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 즉, 연료전지는 연료극에서의 수소 산화반응과 공기극에서의 산소 환원반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 이러한 반응을 위해 연료전지 스택의 연료극에는 연료가스(수소)를 공급하여야 하고, 연료전지 스택의 공기극에는 공기(산소)를 공급하여야 한다. 그리고 이러한 반응으로 전기를 생산하는 연료전지 시스템은 크게 연료전지 스택(Stack), MBOP(Mechanical Balance of Plant), EBOP(Electrical Balance of Plant)로 구성된다. 연료전지 스택은 전기화학반응으로 전기를 생산하는 구성이고, MBOP는 연료전지 스택으로 수소와 산소를 공급하는 구성이며, EBOP는 연료전지 스택으로터의 직류전기를 인버터(inverter) 등을 통해 교류전기로 변환하여 필요한 곳으로 공급하는 구성이다.

한편, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)와 같은 고온형 연료전지는 다음과 같은 과정을 통해 전기를 생산한다. 도 1을 참조하여 이에 대해 보다 상술하면, 천연가스(Natural Gas)와 같은 연료가스는 통상 황을 포함하고 있는데, 이러한 황은 후술할 개질기(20)의 개질 촉매에 악영향을 미친다. 이에 따라 연료가스는 우선 탈황기(미도시)를 통해 탈황되어야 한다. 그리고 후술할 개질기(20)에서 일어나는 개질반응은 물을 필요로 하는데, 액상의 물은 개질 촉매에 손상을 줄 수 있으므로, 개질기(20)에는 연료가스와 함께 기상의 물이 공급되어야 한다. 이에 따라 연료가스는 가습 열교환기(10)를 거치면서 가습(加濕)된다. 가습 열교환기(10)는 연료전지 스택의 공기극(44)으로부터 배기되는 고온의 공기극 배기가스를 이용하여 액상의 물을 기화시킨다. 이렇게 탈황되고 가습된 연료가스는 전개질기(20, Pre-Reformer)에서 수소로 개질된다. 이러한 수소는 열교환기(30)에서의 열교환을 통해 필요한 온도로 가열된다. 그런 다음 수소는 연료전지 스택의 연료극(42)으로 공급된다.

그리고 연료전지 스택의 공기극(44)에는 전술한 것과 같이 공기(산소)가 공급되어야 한다. 이를 위해 연료전지는 통상적으로 대기와 같은 산화제 공급원(Air Source)으로부터 산화제 공급가스를 공기극(44)으로 공급한다. 여기서 산화제 공급가스는 공기일 수도 있고, 경우에 따라서는 공기극 배기가스 중의 일부를 재순환시켜 공기와 혼합시킨 가스일 수도 있다. 다만, 이러한 산화제 공급가스는 공기극(44)으로 공급되기 위해 적당한 온도로 가열될 필요가 있다. 이러한 가열을 위해 연료극 배기가스 중의 미반응 연료를 연소시켜 산화제 공급가스를 가열하는 촉매연소기(50)를 사용한다. 이렇게 촉매연소기(50)를 통해 가열된 산화제 공급가스는 연료전지 스택의 공기극(44)으로 공급된다.

이러한 촉매연소기(50)는 크게 연료극 배기가스와 산화제 공급가스가 혼합되는 부분과 촉매에 의해 연료극 배기가스(보다 정확하게는 연료극 배기가스 중의 미반응 연료)를 연소시켜 산화제 공급가스를 가열하는 부분으로 나눌 수 있다. 그런데 연료극 배기가스와 산화제 공급가스는 촉매에 의하지 않더라도 그 혼합만으로 예비 연소를 발생시킬 수 있다. 그러나 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합가스는 종래의 촉매연소기(50) 내에서 균일하게 유동하지 못하기 때문에 이러한 예비 연소를 통해 발생하는 화염도 안정적이지 못하다. 즉, 전술한 예비 연소를 통해 발생한 화염은 불연속적으로 발화한다. 이러한 불연속적인 화염은 촉매연소기(50)의 성능을 떨어뜨리는 요인이 된다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합으로 발생하는 예비 연소 시에 보다 안정적으로 화염을 발화시킬 수 있는 연료전지용 촉매연소기를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 촉매연소기는, 연료전지 스택의 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스와 공기를 포함하는 산화제 공급가스를 혼합하는 혼합부, 및 혼합부로부터 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합가스를 공급받아 혼합가스 내의 산화제 공급가스를 가열하기 위해 연료극 배기가스 중의 미반응 연료를 연소시키는 연소부를 포함하며, 상기 혼합부는 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합에 따라 발생하는 화염을 안정적으로 발화시키기 위해 혼합가스의 균일한 유동을 촉진하는 촉진 부재를 포함한다.

여기서 상기 촉진 부재는 상기 화염을 안정적으로 발화시키기 위해 상기 연소부를 향하여 유동하는 혼합가스를 난류로 만들 수 있다. 이때 상기 촉진 부재는 상기 연소부를 향하여 유동하는 혼합가스의 흐름에 대해 수직한 방향으로 상기 혼합부의 내면으로부터 돌출하는 원기둥 형상의 부재일 수 있다. 그리고 상기 연료극 배기가스와 상기 산화제 공급가스는 서로 혼합된 다음에 상기 촉진 부재를 거쳐 상기 연소부로 공급될 수 있다. 이때 상기 촉진 부재는 상기 연소부와 인접할 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지용 촉매연소기는 혼합부 내의 촉진 부재를 통해 혼합가스의 균일한 유동을 촉진하여 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합에 따라 혼합부 내에서 발생하는 화염을 보다 안정적으로 발화시킬 수 있기 때문에 연소부의 입구에서 발생할 수 있는 전해질 흡착의 문제를 예방할 수 있을 뿐만 아니라, 연소부의 크기도 줄일 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 용융탄산염 연료전지의 기본 구성을 도시하고 있는 블록도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기를 도시하고 있는 단면도
도 3은 도 2의 촉매연소기를 도시하고 있는 절개 사시도

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있다. 그리고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기를 도시하고 있는 단면도이고 도 3은 도 2의 촉매연소기를 도시하고 있는 절개 사시도이다. 도 2와 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 촉매연소기는 혼합부(110)와 연소부(130)를 포함한다. 혼합부(110)는 연료전지 스택의 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스와 전술한 산화제 공급가스를 혼합하는 구성이다. 이를 위해 혼합부(110)는 연료극 배기가스가 유입되는 배기가스 유입구(112)와 산화제 공급가스가 유입되는 공급가스 유입구(114)를 구비한다. 이때 배기가스 유입구(112)와 공급가스 유입구(114)는 도 2와 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 서로 인접한 것이 바람직하다. 이와 같이 인접하면 연료극 배기가스와 산화제 공급가스가 보다 직접적으로 혼합되기에 유리하기 때문이다.

그리고 연소부(130)는 혼합부(110)와 연결되어 혼합부(110)로부터 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합가스를 공급받아 혼합가스 내의 산화제 공급가스를 가열하는 구성이다. 이를 위해 연소부(130)는 혼합가스 내의 미반응 연료, 보다 정확하게는 연료극 배기가스 중의 미반응 연료를 연소시키는 촉매를 포함한다. 연료극으로 공급되는 연료의 모두가 반응에 참여하는 것은 아니다. 이에 따라 반응에 참여하지 못한 미반응 연료는 연료극 배기가스에 포함되어 연료극으로부터 배기된다. 연소부(130)는 이러한 미반응 연료를 연소시켜 산화제 공급가스를 가열한다. 참고로, 연소부(130)에 도포되는 촉매는 백금(Pt) 등과 같은 귀금속 촉매일 수 있다. 다만, 촉매의 종류가 이에 한정되는 것은 아니며 혼합가스의 성분 등에 따라 다양하게 선택될 수 있다.

그런데 연료극 배기가스는 통상 높은 온도를 가진다. 이에 따라 전술한 것과 같이 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합만으로도 예비 연소(참고로 본 연소는 연소부에서 일어난다)가 일어난다. 이와 같은 예비 연소로 인한 화염은 최대한 안정적으로 유지되는 것이 바람직하나, 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합가스가 혼합부(110) 내에서 균일하게 유동하지 못하기 때문에 화염의 안정적인 발화가 쉽게 일어나지는 않는다. 이에 따라 혼합부(110) 내에서는 화염이 불연속적으로 발생하기 쉽다.

그러나 본 실시예에 따른 촉매연소기는 혼합부(110)가 촉진 부재(116)를 포함하기 때문에 화염의 안정적인 발화가 가능하다. 보다 상술하면 본 실시예에 따른 촉진 부재(116)는 혼합가스의 균일한 유동을 촉진하여 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합에 따라 발생하는 화염을 보다 안정적으로 발화시킬 수 있다. 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합가스가 균일한 유동을 이루면 혼합가스의 농도가 혼합부(110) 내에서 대체로 균일해질 수 있다. 이에 따라 부분적으로만 화염이 발생하는 것이 아니라, 혼합부(110) 내에서 전체적으로, 그리고 안정적으로 화염이 발생할 수 있다. 즉, 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합으로 최초에 화염이 불안정하게 발생하더라도 촉진 부재(116)를 거치면서 혼합가스가 보다 균일한 유동을 이루기 때문에 불안정했던 화염도 촉진 부재(116)를 거치면서 보다 안정화될 수 있다.

이러한 균일한 유동을 위해서는 촉진 부재(116)가 연소부(130)를 향하여 유동하는 혼합가스를 난류로 만드는 것이 보다 바람직하다. 혼합가스가 난류가 되어 불규칙하게 운동을 하면 혼합가스가 혼합부(110) 내에서 보다 균일해질 수 있기 때문이다. 그리고 촉진 부재(116)가 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 연소부(130)를 향하여 유동하는 혼합가스의 흐름에 대해 수직한 방향으로 혼합부(110)의 내면으로부터 돌출하는 원기둥 형상을 가지면 혼합가스의 균일한 유동을 보다 촉진할 것이다. 촉진 부재(116)가 위와 같은 형상을 가지면 혼합가스가 더욱 불규칙하게 운동을 할 것이기 때문이다. 참고로 연소부(130)를 향하여 유동하는 혼합가스의 흐름에 대해 수직한 방향이란, 혼합부(110)가 원기둥과 유사한 형상을 가질 때 그 지름 방향과 평행한 방향을 의미할 수 있을 것이다.

이와 같이 본 실시예에 따른 촉매연소기는 혼합부(110) 내의 촉진 부재(116)를 통해 혼합가스의 균일한 유동을 촉진하여 연료극 배기가스와 산화제 공급가스의 혼합에 따라 혼합부(110) 내에서 발생하는 화염을 보다 안정적으로 발화시킬 수 있다. 혼합부(110) 내에서 화염이 보다 안정적으로 일어나면 혼합가스도 보다 높은 온도를 가진 채로 연소부(130)로 공급될 수 있다. 이와 같이 고온의 혼합가스가 연소부(130)로 공급되면 연소부(130)의 입구에서 발생할 수 있는 전해질 흡착의 문제(전해질 흡착이 일어나면 연소부의 입구가 막힐 수 있다)가 예방될 수 있다.

또한 연소부(130)에 앞서 혼합부(110)에서 보다 많은 양의 미반응 연료를 연소시킬 수 있기 때문에 미반응 연료의 연소를 연소부(130)에서 모두 담당할 필요가 없으며, 이의 결과로 연소부(130)의 크기를 줄일 수 있다. 이와 같이 연소부(130)의 크기가 줄어들면, 연소부(130) 내에 도포되어야 하는 촉매의 양도 줄어들기 때문에 촉매연소기의 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 촉매연소기를 포함하는 스택 모듈의 크기도 감소시킬 수 있다.

한편, 전술한 효과들을 위해서는 도 2와 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 연료극 배기가스와 산화제 공급가스가 서로 혼합된 다음에 전술한 촉진 부재(116)를 거쳐 연소부(130)로 공급되는 것이 필요하다. 그리고 촉진 부재(116)를 거치면서 균일화되는 화염으로 인한 효과를 연소부(130)에서 직접적으로 향유하기 위해서는 촉진 부재(116)가 연소부(130)와 인접한 것이 바람직하다. 참고로 연료극 배기가스 중의 미반응 연료는 일차적으로 혼합부(130)에서의 예비 연소 시에 사용되고 이차적으로 연소부(130)에서 사용된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

110: 혼합부 112: 배기가스 유입구
114: 공급가스 유입구 116: 촉진 부재
130: 연소부

Claims (5)

1. 연료전지 스택의 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스와 공기를 포함하는 산화제 공급가스를 혼합하는 혼합부, 및 상기 혼합부로부터 상기 연료극 배기가스와 상기 산화제 공급가스의 혼합가스를 공급받아 상기 혼합가스 내의 산화제 공급가스를 가열하기 위해 상기 연료극 배기가스 중의 미반응 연료를 연소시키는 연소부를 포함하며,
   상기 혼합부는 상기 연료극 배기가스와 상기 산화제 공급가스의 혼합에 따라 발생하는 화염을 안정적으로 발화시키기 위해 상기 혼합가스의 균일한 유동을 촉진하는 촉진 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 촉매연소기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 촉진 부재는 상기 화염을 안정적으로 발화시키기 위해 상기 연소부를 향하여 유동하는 혼합가스를 난류로 만드는 것을 특징으로 하는 연료전지용 촉매연소기.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 촉진 부재는 상기 연소부를 향하여 유동하는 혼합가스의 흐름에 대해 수직한 방향으로 상기 혼합부의 내면으로부터 돌출하는 원기둥 형상의 부재인 것을 특징으로 하는 연료전지용 촉매연소기.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 연료극 배기가스와 상기 산화제 공급가스는 서로 혼합된 다음에 상기 촉진 부재를 거쳐 상기 연소부로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 촉매연소기.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 촉진 부재는 상기 연소부와 인접한 것을 특징으로 하는 연료전지용 촉매연소기.
   

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