KR20130076943A

KR20130076943A - 이중연소 개질기 및 이를 이용한 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR20130076943A
Application number: KR1020110145385A
Authority: KR
Inventors: 노형철; 박현영; 서호철
Original assignee: 세종공업 주식회사
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-07-09
Also published as: KR101348031B1

Abstract

본 발명의 개질기는 외통(11)으로 밀폐된 내부에 구비된 내통(12)의 연소챔버에(16)에 연료전지스택(40)의 미 반응된 수소(H2)가 가스노즐(50,50',50",500)로 재순환되도록 연결되고, 버너(30)의 연소로 가열되는 제1산화촉매(21)를 감싼 제2산화촉매(22)가 가스노즐(50,50',50",500)에서 직접 분사된 수소(H2)의 연소로 재가열됨으로써, 제1산화촉매(21)와 제2산화촉매(22)를 감싼 개질촉매(23)의 온도가 최적으로 유지되어 개질연료의 개질성능이 크게 높아지고 특히 개질촉매(23)를 통한 수소(H2)의 생성이 신속하게 이루어지는 특징을 갖는다.

Description

이중연소 개질기 및 이를 이용한 연료전지 시스템{Dual Combustion Reformer and Fuel Cell System }

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 버너의 연소로 가열되는 제1산화촉매를 감싸 배기가스로 가열되는 제2산화촉매에 연료전지스택의 미 반응된 수소(H2)가 직접 분사되는 개질기를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 개질기(Reformer)에는 개질연료로부터 순수한 수소(H2)를 추출하는 개질촉매가 포함된 다수의 촉매와, 촉매에 대한 고온 분위기를 형성하는 연소용 버너와, 연소 후 배기가스가 배출되고 수소(H2)추출을 위한 가스 및 워터(Water)가 공급되며 연소용 가스가 공급되는 레이아웃을 갖는 배관이 갖춰진다.

이와 같이 개질기는 수소가 함유된 개질연료(일례로, LPG, LNG를 포함한 탄화수소계열 연료)로부터 순수한 수소(H2)를 추출하는 장치로서, 통상 전기 발전기로 기능하는 연료전지스택과 함께 구성됨으로써 산소(O2)와 화학반응하기 위한 수소(H2)의 생성을 목적으로 한다.

그러므로, 연료전지스택을 동력원으로 사용하는 연료전지발전시스템에서는 고 성능의 개질기가 적용됨으로써 고성능화 및 우수한 상품성에 기여할 수 있게 된다.

특히, 산업계 전반에 걸쳐 적용되고 있는 친환경기술은 소형 발전분야에서도 환경오염을 일으키는 디젤발전기 대신 친환경적인 연료전지 발전시스템을 요구함으로써, 개질기는 보다 고 성능을 갖도록 개선되고 있는 실정이다.

국내특허공개 10-2006-0054748(2006.05.23)

상기 특허문헌은 수소를 함유한 연료로부터 수소(H2)가스를 발생시키는 개질기와, 상기 개질기로부터 추출된 수소(H2)가스를 공급받아 산소(O2)와 반응함으로써 전기를 발생시키는 연료전지스택이 포함된 연료전지 시스템에 관한 기술이다.

특히, 상기 특허문헌은 개질 촉매를 본체로 격리한 개질반응부의 안쪽으로 열원인 가열부가 위치됨으로써 개질반응부의 안쪽 공간으로 서라운드(surround)영역이 형성되고, 이러한 서라운드 영역으로 개질 촉매 성능이 보다 향상된 개질기 기술의 예를 나타낸다.

상기와 같이 개질기 성능을 보다 높이려면, 개질 촉매를 높은 온도로 상승시켜 유지해 줄 수 있는 기능이 가장 중요하게 된다.

이를 위해, 상기 특허문헌은 서라운드 영역을 이용해 개질 촉매의 온도를 높게 유지함으로써, 상기 특허문헌의 개질기는 서라운드 영역을 갖지 않는 기타 개질기에 비해 그 성능을 보다 높일 수 있게 된다.

하지만, 상기 특허문헌에 적용된 서라운드 영역은 개질 촉매가 내장된 개질반응부 주위 공간으로 확장됨으로써 개질 촉매 온도 상승을 위한 화염 집중도가 낮을 수밖에 없고, 이로 인해 개질 촉매의 수소(H2) 추출 성능 향상도 크지 못한 한계를 가질 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 버너의 연소로 가열되는 제1산화촉매를 감싼 제2산화촉매에 연료전지스택의 미반응된 수소(H2)가 직접 분사됨으로써, 개질연료로부터 수소(H2)를 추출하는 개질촉매의 활성온도가 항상 최적으로 유지될 수 있고 특히 신속하게 수소(H2)를 생성하도록 그 성능이 크게 향상된 이중연소 개질기를 이용한 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이중연소 개질기는 버너의 위쪽에서 연소를 위한 착화연료와 공기를 공급받고, 상기 버너의 아래쪽으로 향하는 연소 화염으로 가열되는 제1산화촉매와;

상기 제1산화촉매가 구비된 이너챔버의 외주면을 감싸 연소에 의한 배기가스가 빠져나가는 배기통로에 구비되고, 가열된 상기 제1산화촉매로부터 전달되는 열로 가열되고 동시에 상기 배기통로를 지나는 배기가스가 통과하면서 가열시켜주는 제2산화촉매와;

연료전지스택에서 미 반응된 수소(H2)가 재순환되어 상기 버너의 아래쪽으로 유입되도록 연결되고, 상기 미 반응된 수소(H2)가 상기 제2산화촉매로 직접 분사되는 가스노즐;

이 더 포함되어 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 이너챔버는 아우터챔버로 감싸이고, 상기 이너챔버와 상기 아우터챔버사이에는 상기 제2산화촉매가 구비된 상기 배기통로가 형성된다.

상기 아우터챔버에는 상기 제2산화촉매를 감싸는 개질촉매가 구비되고, 상기 개질촉매를 감싸는 수성전환촉매가 더 구비된다.

상기 가스노즐은 상기 버너와 동일선상으로 배열된다.

상기 가스노즐은 상기 연료전지스택에서 미 반응된 수소(H2)를 공급받도록 연결되어 상기 버너의 아래쪽으로 위치된 노즐바디와, 상기 노즐바디의 끝부위에서 확장되고 상기 제1산화촉매 및 제2산화촉매를 향하는 노우즈와, 상기 제2산화촉매를 향하도록 상기 노우즈의 둘레를 따라 형성된 적어도 1개 이상의 개구부로 구성된다.

상기 노우즈는 상기 노즐바디를 정점으로 하는 역 삼각형상의 단면으로 이루어지고, 상기 제1산화촉매 및 상기 제2산화촉매를 향하는 상면부위는 편평한 면으로 형성된다.

상기 노우즈는 상면부위를 상기 노즐바디로 향하도록 들어간 흐름가이더가 더 형성되고, 상기 흐름가이더는 상기 노즐바디를 향하는 부위를 정점으로 하는 역 삼각형상의 단면으로 이루어진다.

상기 흐름가이더는 오목 형상으로 이루어진다.

상기 가스노즐은 상기 연료전지스택에서 미 반응된 수소(H2)를 공급받도록 연결되어 상기 버너의 아래쪽으로 위치된 노즐바디와, 상기 노즐바디에 형성된 적어도 1개 이상의 개구부와, 상기 노즐바디의 끝부위에 결합되어 상기 제1산화촉매 및 제2산화촉매를 향하는 포지셔너와, 상기 포지셔너에서 상기 개구부에 연통되어 상기 제2산화촉매를 향하는 적어도 1개 이상의 분사유도개구부로 구성된다.

상기 포지셔너는 상기 노즐바디와 나사 체결된다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 시스템은 버너의 위쪽에서 공급된 착화연료와 공기의 연소로 버너의 아래쪽을 향하는 연소 화염으로 가열되는 제1산화촉매와, 상기 제1산화촉매가 구비된 이너챔버의 외주면을 감싼 배기가스의 배기통로에 구비된 제2산화촉매와, 연료전지스택에서 미 반응된 수소(H2)가 재순환되어 상기 버너의 아래쪽으로 유입되도록 연결되고, 상기 미 반응된 수소(H2)가 상기 제2산화촉매로 직접 분사되는 가스노즐을 포함한 개질기와;

상기 개질기에서 생성된 수소(H2)가스를 공급받아 공기(O2)와 산화반응됨으로써 발전에너지가 생성되는 연료전지스택과;

상기 개질기와 상기 연료전지스택사이로 구비되어, 상기 개질기로부터 나오는 개질화된 개질가스에서 일산화탄소(CO)가 제거되는 프록스(PROX)촉매를 갖춘 프록스(PROX)반응기;

가 포함되어 구성된 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 개질연료를 개질화하는 개질촉매로 둘러싸인 제2산화촉매가 연료전지스택에서 미반응된 수소(H2)를 통해 직접 가열됨으로써, 제2산화촉매의 개질성능을 크게 높이고 특히 신속하게 수소(H2)를 생성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 개질기는 개질 촉매와 함께 수성전환촉매를 갖춤으로써 일산화탄소(CO)의 농도를 크게 낮춘 수소(H2)를 생성하는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 재순환되는 수소(H2)를 이용한 제2산화촉매의 가열로 개질촉매의 수소(H2)추출 성능을 높인 개질기가 연료전지스택과 함께 발전기나 연료전지차량을 구성함으로써, 연료전지스택의 성능 향상은 물론 연료전지스택의 미반응된 수소(H2)도 안전하게 처리해 상품성을 크게 향상하는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이중연소 개질기를 이용한 연료전지 시스템의 구성도이고, 도 2와 도 3은 본 발명에 따른 개질기에 적용된 가스노즐의 변형례이며, 도 4는 본 발명에 따른 이중연소 개질기를 이용한 연료전지 시스템의 가동상태이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 이중연소 개질기를 이용한 연료전지 시스템의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 연료전지 시스템은 공급된 공기(O2)와 함께 착화연료(LPG, CNG, LNG를 포함한 탄화수소계열 연료)로 버너 연소되고 더불어 공급된 수증기와 개질연료의 개질화로 수소(H2)가스를 생성해주는 개질기(10)와, 개질기(10)에서 생성된 수소(H2)가스를 공급받아 공기(O2)와 산화반응됨으로써 발전에너지(전기)가 생성되는 연료전지스택(40)으로 구성된다.

통상, 연료전지 시스템에는 상기 개질기(10)와 상기 연료전지스택(40)사이로 PROX 반응기가 더 구비되고, 상기 PROX 반응기는 그 내부로 개질화된 개질연료에서 일산화탄소(CO)를 제거하여 수소(H2)의 농도를 높이는 PROX촉매를 갖춤으로써 공기(O2)와 수소(H2)의 산화반응으로 일산화탄소(CO)가 제거된 수소(H2)를 연료전지스택(40)에 공급할 수 있다.

상기와 같이 PROX촉매로 개질화된 개질연료에서 일산화탄소(CO)가 제거됨으로써 연료전지스택(40)내에 있는 촉매가 일산화탄소(CO)로 피독되어 연료전지의 수명이 단축되는 현상을 방지할 수 있다.

상기 개질기(10)는 연소불꽃이 발생되는 점화기를 갖춘 하우징(10)과, 하우징(10)으로 공급된 착화연료와 공기를 연소시켜 연소화염을 만들어주는 버너(30)와, 버너(30)의 연소화염으로 가열되는 제1산화촉매(21)와, 제1산화촉매(21)를 통해 가열됨과 더불어 연소 후 배기가스 열로 가열되는 제2산화촉매(22)와, 제2산화촉매(22)를 통해 활성온도로 가열되어 공급된 개질연료를 개질화시켜 수소(H2)를 추출하는 개질촉매(23)와, 개질화된 연료의 일산화탄소(CO)의 농도를 낮추고 수소(H2)의 농도를 높이는 수성전환(Water Gas Shift)촉매(24)로 구성된다.

이에 더해, 상기 개질기(10)에는 연료전지스택(40)에서 미 반응되어 재순환되는 수소(H2)가스가 공급되는 가스노즐(50)이 더 구비된다.

본 실시예에서 버너(30)와 가스노즐(50)이 수직한 상태로 배열됨으로써 버너(30)의 연소화염을 기준으로 할 때, 착화연료와 공기를 연소하는 버너(30)의 연소화염은 아래쪽을 향하는 반면, 연료전지스택(40)에서 미 반응되어 재순환되는 수소(H2)가스를 연소하는 가스노즐(50)의 연소화염은 위쪽을 향하게 된다.

통상, 상기 개질기(10)에는 개질기(10)의 버너 연소에 의한 고온 배기가스를 이용해 열교환이 이루어지는 증발기가 더 구비되는데, 상기 증발기는 고온 배기가스가 개질기(20)의 외부로 빠져나가기 전 착화연료와 공기 및 개질연료를 예열하고 특히 연료 개질화에 필요한 수증기를 공급하도록 물을 기화시키게 된다.

상기 하우징(10)은 밀폐된 내부공간을 형성한 외통(11)과, 외통(11)의 내부 공간으로 구비된 내통(12)으로 구성됨으로써, 하우징(10)은 이중구조로 이루어진다.

상기 내통(12)은 그 내부로 상기 제1산화촉매(21)가 구비되고 더불어 상기 제2산화촉매(22)가 외부를 감싼 이너챔버(13)와, 상기 이너챔버(13)를 감싸고 상기 개질촉매(23)와 상기 수성전환촉매(24)가 구비된 아우터챔버(14)로 구성된다.

상기 아우터챔버(14)의 하부부위로는 점화불꽃이 일어나는 점화기를 구비한 연소챔버(16)가 형성되며, 상기 연소챔버(16)에는 상기 제1산화촉매(21)와 상기 제2산화촉매(22)가 노출된다.

상기 연소챔버(16)는 연소 후 배기가스를 외부로 배출하기 위한 배기통로(17)와 연통되며, 상기 배기통로(17)에는 상기 제2산화촉매(22)가 구비된다.

통상, 상기 개질기(10)에는 상기 제1산화촉매(21)의 위쪽으로 역류차단재가 더 구비됨으로써 버너(30)의 연소화염이 제1산화촉매(21)를 지나 위쪽으로 전파되는 현상을 차단한다.

또한, 상기 개질기(10)에는 연소를 위한 착화연료와 공기 및 개질연료와 함께 연료 개질화에 필요한 물을 공급하기 위한 다수의 라인들이 함께 구성된다.

한편, 상기 가스노즐(50)은 하우징(10)의 내통(12)을 이루는 연소챔버(16)의 연소공간으로 위치되고, 상기 내통(12)을 이루는 아우터챔버(14)의 밖에서 연소챔버(16)로 이어진 재순환수소라인과 연결된다.

이를 위해, 상기 가스노즐(50)은 재순환수소라인에 연결되어 연소챔버(16)의 연소공간으로 위치된 중공 파이프 타입 노즐바디(51)와, 하우징(10)의 내통(12)에 형성된 배기통로(17)로 근접 위치되도록 노즐바디(51)의 끝부위에서 확장된 노우즈(52)와, 노우즈(52)의 부위에 집중되어 노즐바디(51)로 유입된 미 반응된 수소(H2)가스를 분사하는 적어도 1개 이상의 개구부(53)로 구성된다.

상기 노우즈(52)는 연소챔버(16)의 연소공간을 밀폐하지 않은 형상과 크기로 이루어짐으로써, 개구부(53)로부터 나오는 미 반응된 수소(H2)가스가 연소공간으로 확산되는 현상을 최대한 줄여준다.

이를 위해, 상기 노우즈(52)는 노즐바디(51)를 정점으로 하는 역 삼각형상으로 이루어진다.

상기 개구부(53)는 소정각도(a)로 경사지는데, 상기 소정각도(a)는 제2산화촉매(22)를 향하는 각도범위를 갖는다.

한편, 도 2는 본 실시예에 따른 가스노즐(50)의 변형례로서, 이 경우 가스노즐(50')은 노즐바디(51)와 노우즈(52)에 뚫린 개구부(53)의 형상과 기능이 도 1의 가스노즐(50)과 동일하고, 다만 노우즈(52)의 단면구조에 약간의 변형을 가함으로써 노우즈(52)로 들어온 미 반응된 수소(H2)가스의 흐름을 보다 안정화시켜 주게 된다.

일례로, 도 2(가)는 노즐바디(51)에서 나오는 미 반응된 수소(H2)가스가 개구부(53)쪽으로 자연스럽게 유도되는 단면구조로 이루어진 노우즈(52)를 갖춘 가스노즐(50')의 예를 나타낸다.

이 경우, 상기 노우즈(52)에는 노우즈(52)가 시작되는 노즐바디(51)부위로 위치되는 흐름가이더(52a)가 더 형성되며, 상기 흐름가이더(52a)는 노우즈(52)의 편평한 상면부위를 밑으로 눌러주는 방식으로 간단하게 형성하여 준다.

이때, 상기 흐름가이더(52a)는 다양한 단면구조를 갖지만, 노즐바디(51)부위를 정점으로 하는 역 삼각형상 단면으로 이루어짐이 바람직하다.

그리고, 도 2(나)는 노즐바디(51)에서 나오는 미 반응된 수소(H2)가스가 개구부(53)쪽으로 자연스럽게 유도되는 단면구조로 이루어진 노우즈(52)를 갖춘 다른 가스노즐(50")의 예를 나타낸다.

이 경우, 노우즈(52)에 형성된 흐름가이더(52b)는 도 2(가)의 흐름가이더(52a)와 같이 노우즈(52)의 편평한 상면부위를 밑으로 눌러주는 방식으로 간단하지만, 노즐바디(51)부위를 정점으로 하는 역 삼각형상 단면을 이루지 않고 단순한 오목 형상으로 이루어지는 차이 만 있다.

그러므로, 도 2(나)의 가스노즐(50")은 도 2(가)의 가스노즐(50')에 비해 보다 간단하게 제조될 수 있다.

또한, 도 3은 본 실시예에 따른 가스노즐(50)의 또 다른 변형례로서, 이 경우 가스노즐(500)은 재순환수소라인에 연결되어 연소챔버(16)의 연소공간으로 위치된 중공 파이프 타입 노즐바디(51)와, 노즐바디(51)에 뚫려 미 반응된 수소(H2)가스를 분사하는 적어도 1개 이상의 개구부(53)과, 노즐바디(51)의 끝부위에 결합되어 하우징(10)의 내통(12)에 형성된 배기통로(17)로 근접 위치된 포지셔너(54)와, 상기 포지셔너(54)에 뚫려 상기 개구부(53)와 연통되어 미 반응된 수소(H2)가스를 분사하는 적어도 1개 이상의분사유도개구부(55)로 구성된다.

상기 포지셔너(54)는 노즐바디(51)와 다양한 방식으로 서로 결합되지만 나사체결 구조를 이용해 서로 결합됨이 바람직하다.

상기 포지셔너(54)는 연소챔버(16)의 연소공간을 밀폐하지 않은 형상과 크기로 이루어짐으로써, 분사유도개구부(55)로부터 나오는 미 반응된 수소(H2)가스가 연소공간으로 확산되는 현상을 최대한 줄여준다.

상기 분사유도개구부(55)는 배기통로(17)에 근접되는 위치를 갖도록 포지셔너(54)의 둘레를 따라 다수로 형성된다.

한편, 도 4는 본 실시예에 따른 이중연소 개질기를 이용한 연료전지 시스템의 가동상태로서, 착화연료와 공기의 연소에 의해 발생된 배기가스가 순환되어 내부 온도를 상승시킨 후 외부로 빠져나가는 과정을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 공기와 함께 착화연료(LPG 또는 LNG 또는 CNG를 포함한 탄화수소계열 연료)가 공급된 버너(30)에서 연소가 일어나면, 버너(30)의 연소화염은 버너(30)의 아래쪽을 향해 퍼져나감으로써 제1산화촉매(21)를 산화시키면서 타오르게 된다.

이를 통해, 상기 제1산화촉매(21)는 가열되어 온도가 상승되어진다.

이때, 버너(30)의 연소화염은 위로 올라가려하지만, 본 실시예에서는 제1산화촉매(21)의 위쪽으로 역류차단재가 구비됨으로써 위로 올라가려는 연소화염은 역류차단재로 차단된다.

이어, 제1산화촉매(21)의 온도가 높아지면, 온도 상승된 제1산화촉매(21)는 제1산화촉매(21)를 둘러싼 제2산화촉매(22)를 가열시켜줌으로써 제2산화촉매(22)도 동시에 가열되어진다.

이러한 상태에서 버너(30)의 연소화염으로 생성되는 고온의 배기가스는 연소챔버(16)에 충진된 후, 이어 연소챔버(16)와 연통된 배기통로(17)로 빠져나가게 된다.

그러나, 상기 배기통로(17)에는 제2산화촉매(22)가 구비됨으로써 배기통로(17)를 지나는 고온의 배기가스는 제2산화촉매(22)를 가열하면서 빠져나가게 된다.

이와 같이 배기가스가 제2산화촉매(22)를 가열하면서 빠져나갈 수 있는 것은 제2산화촉매(22)가 배기가스를 통과시키는 다공성 단면구조로 이루어짐에 기인된다.

그러므로, 상기 제2산화촉매(22)는 제1산화촉매(21)를 통해 전달되는 열에 의한 가열작용과 함께 고온 배기가스를 통한 가열작용을 동시에 받게 되고, 이로 인해 상기 제2산화촉매(22)는 보다 빠르고 신속하게 가열되고 특히 가열된 온도를 안정적으로 지속할 수 있다.

이어, 고온 배기가스는 제2산화촉매(22)를 지난 후 배기통로(17)에 연결된 증발기로 유입됨으로써, 증발기로 들어와 버너(30)로 공급되는 착화연료와 공기는 물론 개질촉매(23)로 공급되는 개질연료의 온도를 높여줄 수 있고, 특히 물(워터)이 공급된 후 기화됨으로써 수성전환촉매(24)로 수증기가 공급될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 개질기(10)에서는 버너(30)의 연소화염과 고온 배기가스 열로 제1산화촉매(21)와 제2산화촉매(22)가 이중 가열될 수 있고, 이로 인해 제2산화촉매(22)를 감싼 개질촉매(23)도 보다 빠르고 신속하게 가열되고 특히 가열된 온도를 안정적으로 지속할 수 있고, 이는 개질촉매(23)의 산화반응을 보다 신속하게 일으켜 줌으로써 개질연료의 개질화를 통한 수소(H2)의 생성도 그 만큼 빠르게 이루어진다.

이러한 특징은 연료전지스택에서 필요로 하는 수소(H2)의 공급이 신속하게 이루어짐을 의미하고, 이로부터 연료전지 차량의 시동성을 크게 높일 수 있게 된다.

본 실시예의 경우 상기와 같은 기본적인 작동에 더해 연료전지스택(40)에서 미반응된 수소(H2)가 재순환되어 개질기(10)에서 연소되고, 이러한 미반응된 수소(H2)의 연소로 제2산화촉매(22)의 가열온도가 더욱 안정적으로 존속될 수 있다.

이는, 개질기(10)의 내부로 구비된 가스노즐(50)이 연료전지스택(40)의 미반응된 수소(H2)의 재순환라인과 연결되고, 연료전지스택(40)에서 나온 미반응된 수소(H2)가 가스노즐(50)을 통해 제2산화촉매(22)로 직접 분사된 후, 제2산화촉매(22)에서 집중적으로 연소(Ka)됨에 기인된다.

이러한 분사 패턴은 가스노즐(50)에 의한 것으로, 이는 노즐바디(51)의 끝부위에 확장된 노우즈(52)가 제1산화촉매(21) 및 제2산화촉매(22)에 근접되고, 특히 노우즈(52)에는 적어도 1개 이상의 개구부(53)가 소정각도(a)를 형성해 제2산화촉매(22)에 집중됨에 기인된다.

이로 인해, 개구부(53)를 빠져 나온 미반응된 수소(H2)는 연소챔버(16)의 공간으로 퍼지는 확산 현상 없이 제2산화촉매(22)로 직접 공급되어진다.

그러므로, 연료잔지스택(40)에서 미반응되어 재순환되는 수소(H2)는 제2산화촉매(22)의 고온을 이용한 연소로 안전하게 소모될 수 있고, 특히 제2산화촉매(22)가 수소(H2)의 연소열로 다시한번 더 가열됨으로써 제2산화촉매(22)의 온도가 높은 상태로 유지될 수 있다.

이러한 제2산화촉매(22)의 재 가열은 제2산화촉매(22)를 둘러싼 개질촉매(23)의 온도도 함께 높여줌으로써, 개질촉매(23)에서 일어나는 산화반응을 더욱 촉진하여 개질연료의 개질화가 보다 신속하게 일어남과 더불어 수소(H2)의 생성도 더욱 빨라짐에 따라 단위시간당 생성되는 수소(H2)의 양도 증가하게 된다.

이러한 특징은 연료전지스택에서 필요로 하는 수소(H2)의 공급이 신속하고 또한 충분하게 이루어짐을 의미하고, 이로부터 연료전지 차량의 시동성과 함께 가동 성능을 크게 높일 수 있게 된다.

상기와 같은 미반응된 수소(H2)의 연소는 특히, 도 2(가)와 도 2(나)에 따른 가스노즐(50',50")이 적용된 경우 그 성능이 더욱 향상되고 동시에 안정성도 더욱 향상될 수 있다.

이는, 상기 가스노즐(50',50")이 노우즈(52)에 흐름가이더(52a,52b)를 각각 더 형성함으로써, 상기 흐름가이더(52a,52b)가 노즐바디(51)에서 노우즈(52)로 퍼져나가는 미반응된 수소(H2)를 개구부(53)쪽으로 자연스럽게 유도해줌에 기인된다.

또한, 도 3의 가스노즐(500)의 경우도 포지셔너(54)의 분사유도개구부(55)를 통해 제2산화촉매(22)로 미반응된 수소(H2)가 직접 분사됨으로써, 수소(H2)가 연소챔버(16)의 공간으로 퍼지는 확산 현상 없이 전술된 도 1에 따른 가스노즐(50)과 동일한 작용이 구현된다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 개질기(10)는 개질촉매(23)를 통해 생성된 수소(H2)가 연료전지스택(40)으로 공급됨으로써 연료전지스택(40)을 가동하고, 더불어 연료전지스택(40)의 미 반응된 수소(H2)가 다시 재순환되어 가스노즐(50,50',50",500)을 통해 제2산화촉매(22)의 가열 연료로 연소되는 장점을 갖게 된다.

그러므로, 본 실시예와 같이 미 반응된 수소(H2)를 유입하는 가스노즐(50,50',50",500)을 갖춘 개질기(10)가 연료전지스택(40)과 함께 구성되고, 이를 통해 연료전지시스템이 구축되면, 연료전지스택(40)의 미 반응된 수소(H2)로 개질기의 성능을 크게 높이고 동시에 폭발 위험성이 높은 수소(H2)로부터 연료전지 시스템의 안전성을 크게 높일 수 있다.

10 : 개질기 11 : 외통
12 : 내통 13 : 이너챔버
14 : 아우터챔버
16 : 연소챔버 17 : 배기통로
21 : 제1산화촉매 22 : 제2산화촉매
23 : 개질촉매 24 : 수성전환(WGS)촉매
30 : 버너
50,50',50",500 : 가스노즐
51 : 노즐바디 52 : 노우즈
52a,52b : 흐름가이더 53 : 개구부
54 : 포지셔너 55 : 분사유도개구부

Claims

버너의 위쪽에서 연소를 위한 착화연료와 공기를 공급받고, 상기 버너의 아래쪽으로 향하는 연소 화염으로 가열되는 제1산화촉매와;
상기 제1산화촉매가 구비된 이너챔버의 외주면을 감싸 연소에 의한 배기가스가 빠져나가는 배기통로에 구비되고, 가열된 상기 제1산화촉매로부터 전달되는 열로 가열되고 동시에 상기 배기통로를 지나는 배기가스가 통과하면서 가열시켜주는 제2산화촉매와;
연료전지스택에서 미 반응된 수소(H2)가 재순환되어 상기 버너의 아래쪽으로 유입되도록 연결되고, 상기 미 반응된 수소(H2)가 상기 제2산화촉매로 직접 분사되는 가스노즐;
이 더 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 이중연소 개질기.
청구항 1에 있어서, 상기 이너챔버는 아우터챔버로 감싸이고, 상기 이너챔버와 상기 아우터챔버사이에는 상기 제2산화촉매가 구비된 상기 배기통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 이중연소 개질기.
청구항 2에 있어서, 상기 아우터챔버에는 상기 제2산화촉매를 감싸는 개질촉매가 구비되고, 상기 개질촉매를 감싸는 수성전환촉매가 더 구비된 것을 특징으로 하는 이중연소 개질기.
청구항 1에 있어서, 상기 가스노즐은 상기 버너와 동일 선상으로 배열된 것을 특징으로 하는 이중연소 개질기.
청구항 1 또는 청구항 4에 있어서, 상기 가스노즐은 상기 연료전지스택에서 미 반응된 수소(H2)를 공급받도록 연결되어 상기 버너의 아래쪽으로 위치된 노즐바디와, 상기 노즐바디의 끝부위에서 확장되고 상기 제1산화촉매 및 제2산화촉매를 향하는 노우즈와, 상기 제2산화촉매를 향하도록 상기 노우즈의 둘레를 따라 형성된 적어도 1개 이상의 개구부로 구성된 것을 특징으로 하는 이중연소 개질기.
청구항 5에 있어서, 상기 노우즈는 상기 노즐바디를 정점으로 하는 역 삼각형상의 단면으로 이루어지고, 상기 제1산화촉매 및 상기 제2산화촉매를 향하는 상면부위는 편평한 면으로 형성된 것을 특징으로 하는 이중연소 개질기.
청구항 6항에 있어서, 상기 노우즈는 상면부위를 상기 노즐바디로 향하도록 들어간 흐름가이더가 더 형성되고, 상기 흐름가이더는 상기 노즐바디를 향하는 부위를 정점으로 하는 역 삼각형상의 단면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이중연소 개질기.
청구항 6항에 있어서, 상기 노우즈는 상면부위를 상기 노즐바디로 향하도록 들어간 흐름가이더가 더 형성되고, 상기 흐름가이더는 오목 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이중연소 개질기.
청구항 1 또는 청구항 4에 있어서, 상기 가스노즐은 상기 연료전지스택에서 미 반응된 수소(H2)를 공급받도록 연결되어 상기 버너의 아래쪽으로 위치된 노즐바디와, 상기 노즐바디에 형성된 적어도 1개 이상의 개구부와, 상기 노즐바디의 끝부위에 결합되어 상기 제1산화촉매 및 제2산화촉매를 향하는 포지셔너와, 상기 포지셔너에서 상기 개구부에 연통되어 상기 제2산화촉매를 향하는 적어도 1개 이상의 분사유도개구부로 구성된 것을 특징으로 하는 이중연소 개질기.
청구항 9에 있어서, 상기 포지셔너는 상기 노즐바디와 나사 체결되는 것을 특징으로 하는 이중연소 개질기.
버너의 위쪽에서 공급된 착화연료와 공기의 연소로 버너의 아래쪽을 향하는 연소 화염으로 가열되는 제1산화촉매와, 상기 제1산화촉매가 구비된 이너챔버의 외주면을 감싼 배기가스의 배기통로에 구비된 제2산화촉매와, 연료전지스택에서 미 반응된 수소(H2)가 재순환되어 상기 버너의 아래쪽으로 유입되도록 연결되고, 상기 미 반응된 수소(H2)가 상기 제2산화촉매로 직접 분사되는 가스노즐을 포함한 개질기와;
상기 개질기에서 생성된 수소(H2)가스를 공급받아 공기(O2)와 산화반응됨으로써 발전에너지가 생성되는 연료전지스택과;
상기 개질기와 상기 연료전지스택사이로 구비되어, 상기 개질기로부터 나오는 개질화된 개질가스에서 일산화탄소(CO)가 제거되는 프록스(PROX)촉매를 갖춘 프록스(PROX)반응기;
가 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 이중연소 개질기를 이용한 연료전지 시스템.