KR20130128773A - 천연가스를 사용하는 고체산화물 연료전지용 판형 스팀리포머 - Google Patents

천연가스를 사용하는 고체산화물 연료전지용 판형 스팀리포머 Download PDF

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Abstract

고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기가 제공된다.
상기 스팀개질 반응기는 연소촉매 가스가 일 측으로 주입되어, 연소된 후 타측으로 배출되는 판형 연소촉매 반응기; 상기 판형 연소촉매 반응기 하부에 결합된 판형 스팀 개질기; 상기 판형 스팀 개질기 하부에 결합되어, 물이 내부로 주입되는 판형 기화기를 포함하며, 여기에서 상기 기화기에는 물이 주입된 후, 기화되어 스팀이 배출되는 스팀라인; 상기 판형 연소촉매 반응기로부터 배출되는 연소촉매 가스가 일측으로 유입되는 연소촉매 가스 유입부; 및 상기 유입된 연소촉매 가스가 외부로 배출되게 하는 연소촉매 가스 배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

천연가스를 사용하는 고체산화물 연료전지용 판형 스팀리포머 {Plate type steam reformer for solid oxide fuel cell using natural gas}
본 발명은 천연가스를 사용하는 고체산화물 연료전지용 판형 스팀리포머에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소촉매 (상층)과 스팀개질 반응기(중층) 및물을 기화 하기 위한 기화기 (하층)가 일체형으로 구성되며, 상층의 연소촉매에서 발생한 열과 가스를 기화기에 회수, 공급하여 물을 기화시킴으로써, 열 효율이 향상된 천연가스를 사용하는 고체산화물 연료전지용 판형 스팀리포머에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 수소 또는 메탄올, 에탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다.
연료전지의 종류에는 대표적으로 고분자 전해질형 연료전지 (PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료전지 에서 연료로 메탄올을 사용하는 직접 메탄올 연료전지 (DMFC: Direct Methanol Fuel Cell), 고온에서 작동되는 고체산화물형 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel cell)등이 있다.
이중 PEMFC의 기술적 단점인 낮은 CO농도 요구치, 복잡한 가습 시스템, 스텍에서의 flooding 현상으로 인한 성능 저하 등의 문제점가지고 있으며 이를 SOFC로 대체할 경우 시스템이 간단해 짐으로써 가격면에서도 경쟁력을 가질수 있다
이와 같은 연료전지는수소를 연료로 사용 하고 있기 때문에 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연가스로부터 개질을 통하여 얻을 수 있으며 개질하기 위한 연료개질기 등의 부대설비를 필요로한다. 이와 같은 연료개질기는 개질방식에 따라 스팀(수증기) 개질, 부분산화개질, 및 자열개질기로 분류할수있다. 이 중 스팀 개질기(steam reformer)는 응답 특성이 느린 단점이 있으나 수소 생성 효율이 높고 메탄이나 천연 가스 같이 짧은 탄소 체인을 가지고 있는 연료에 적합하다. 하지만 스팀을 생성시키기 위한 에너지 효율 감소와, 보일러 사용에 따라 개질기 크기가 커지는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 향상된 열 효율과 공간 활용도가 높은 고체산화물 연료전지용 판형 스팀 개질 반응기를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기로서, 상기 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기는, 연소촉매 가스가 일 측으로 주입되어, 연소된 후 타측으로 배출되는 판형 연소촉매 반응기; 상기 판형 연소촉매 반응기 하부에 결합된 판형 스팀 개질기; 상기 판형 스팀 개질기 하부에 결합되어, 물이 내부로 주입되는 판형 기화기를 포함하며, 여기에서 상기 기화기에는 물이 주입된 후, 기화되어 스팀이 배출되는 스팀라인; 상기 판형 연소촉매 반응기로부터 배출되는 연소촉매 가스가 일측으로 유입되는 연소촉매 가스 유입부; 및 상기 유입된 연소촉매 가스가 외부로 배출되게 하는 연소촉매 가스 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스팀라인의 일단으로 주입된 물은 상기 기화기 내로 유입된 연소촉매 가스로부터 열을 공급받아 기화되어 스팀으로 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스팀라인에서 형성된 스팀은 상기 스팀라인의 타단으로 배출되어, 상기 판형 스팀 개질기의 일 측으로 유입되며, 상기 판형 스팀 개질기로 유입되는 스팀은 상기 판형 스팀 개질기의 일 측으로 유입되기 전, 연료와 혼합된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 판형 연소촉매 반응기, 판형 스팀개질기, 판형 연소촉매 반응기는 동일 면적의 박스 형태이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스팀라인은 상기 기화기의 일면의 일 측에 주입된 후, 상기 일면의 대향면의 타측으로 배출되도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스팀라인은 적어도 하나 이상의 U자부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스팀라인은 적어도 하나 이상의 벨로우즈부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스팀 개질기 내부에는 상기 주입되는 스팀개질기 연료와 스팀을 흐름을 변경하기 위한 적어도 하나 이상의 판형 배플이 구비된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 판형 스팀개질기 내에 구비되는 촉매는 세리아 베이스 귀금속 촉매이며, 상기 판형 연소촉매 반응기 내에는 전기 히터가 구비된다.
본 발명은 상술한 연료전지 스팀개질 반응기를 포함하는 연료전지 시스템으로, 상기 시스템은 상술한 연료전지 스팀개질 반응기가 상기 연료전지 시스템의 연료전지 스택의 상단 또는 하단에 결합된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지의 연료극 및 공기극이 배기가스가 상기 연료전지 스팀개질 반응기로 유입된다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기는 상층의 연소촉매에서 발열한 열과 그 가스를 기화기에서 회수하여, 스팀을 생성시켜, 이를 스팀개질기로 공급한다. 더 나아가, 본 발명은, 연료촉매 반응기/스팀개질기/기화기의 판형 적층 구조를 통하여, 개질기의 열 효율을 향상시키고, 아울러 물을 가열시키는 보일러 사용을 최소화함으로써 개질기 크기를 소형화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀개질 반응기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기화기(130)의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀라인의 구성도이다.
도 4 내지 7은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스팀 개질 반응기의 운전 방법을 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스팀개질기에 대하여 설명하기로 한다.
이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 상술한 종래 기술에 따른 스팀개질 반응기(스팀리포머)의 낮은 효율 등의 문제를 해결하기 위하여, 연소촉매 반응기, 스팀 개질기 및 기화기를 판형으로 구성하여, 스택 형태로 적층, 결합시킨 구조의, 스팀개질 반응기(고체산화물 연료전지용 판형 스팀리포머)를 제공한다. 더 나아가, 상기 연소촉매 반응기로 주입된 후 연소된 연소촉매 가스를 기화기 내부로 공급하여, 물을 기화시켜, 스팀을 생성시킨다. 본 명세서에서 고체산화물 연료전지용 판형 스팀리포머는 스팀개질 반응기라고도 명명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀개질 반응기의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 스팀개질 반응기는 연소촉매 가스가 주입되는 판형 연소촉매 반응기(110)를 포함한다. 여기에서 판형은 사각 형상을 갖는 박스 구조에 대응되며, 연소촉매 반응기를 연소가스(예를 들어, 탄화수소 계열의 가스)를 완전연소시키기 위한 촉매가 내부에 구비, 적치된다.
상기 판형 연소촉매 반응기(110) 하부에는 판형 스팀 개질기(120)가 구비되며, 상기 판형 스팀 개질기(120)는 스팀과 연료가스(예를 들어 천연가스)를 유입받아, 상기 연료가스를 수소화시키는 장치이다. 상기 판형 연소촉매 반응기(110)는 다음에 보다 상세히 설명된다.
상기 판형 스팀 개질기(120) 하부에는 다시 상기 판형 스팀 개질기(110)에 대응되는 면적과 크기의 판형 기화기(130)가 구비된다. 상기 판형 기화기(130)는 물을 공급받아, 이를 스팀으로 기화시키는 장치로서, 본 발명의 일 실시예에서 공급되는 물은 파이프 또는 튜브 형태의 스팀라인으로 유입된다. 이때, 본 발명의 일 실시예는 상기 물이 유입되는 기화기 내부로 연소촉매 반응기(110)로부터 배출되는 연소 후 배출되는 가스(연소후가스)가 유입되게 하며, 이로써 개질기에 필요한 물의 스팀 기화를 내부 발생 에너지로부터 발생시킨다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기화기(130)의 평면도이다.
도 2를 참조하면, 판형 기화기 내부에는 스팀라인(210)이 구비되며, 상기 스팀라인(210)은 직선형의 라인을 연결하기 위한 U자 타입의 연결부(U자 라인)를 적어도 하나 이상 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 스팀라인(210)의 일단으로는 물이 주입되고, 상기 일단으로 주입된 물은 내부를 유동하는 동안 가열되어, 기화된다. 상기 기화된 스팀은 스팀라인(210)의 타단으로 배출되는데, 본 발명에서는 상기 상기 스팀라인(210) 가열의 열 공급원은 연소촉매 반응기(110)에 유입된 후, 연소된 연소후 가스가 된다. 또한, 동일 형태, 면적으로 접촉하는 판형 반응기-기화기 구조에 의한 전도열 또한 상기 스팀라인(210)의 열 공급원이 될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기는 판형 반응기-개질기-기화기가 동일 면적과 크기를 가지며, 서로 적층된 구조를 가지며, 상기 기화기의 일 측에는 상기 연소촉매 반응기로부터 배출되는 연소촉매 가스가 유입되는 연소촉매 가스 유입부(220)가 구비되며, 상기 기화기의 타 측에는 상기 유입된 연소촉매 가스가 배출되는 연소촉매 가스 배출부(230)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 연소촉매 가스 유입부(220)와, 연소촉매 가스 배출부(230)는 라인의 파이프가 체결될 수 있는 홀 형태이다.
도 2를 다시 참조하면, 본 발명에 따른 스팀라인(210)은 연소후 배출된 연소촉매 가스 등에 의하여 충분히 가열되어야 하므로, 가능한 긴 이동경로와 넓은 표면적을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명은 이를 위하여, U자 타입의 연결라인(211)과 주름진 표면 구조인 벨로우즈부(212)를 적어도 하나 이상 상기 스팀라인에 구비시킨다. 이로써 연소된 후 주입되는 연소촉매 가스에 의하여 상기 스팀라인의 일단으로 주입되는 물은 충분히 가열되어 스팀화될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 기화기에서 발생한 스팀 및 연료를 공급받아, 이를 수소로 개질하는 판형 스팀 개질기(120)의 평면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 판형 스팀 개질기(120)에는 일 측으로 스팀과 천연가스와 같은 연료가 공급되는 연료공급부(121)와, 타측으로 상기 연료공급부(121)로부터 공급된 연료가 개질된 후, 수소 등의 개질가스가 배출되는 가스배출부(122)를 포함한다. 개질기(120) 일 측으로 유입된 연료, 스팀은 내부 바닥 등에 적치된 개질촉매, 예를 들어 세리아 베이스 귀금속 촉매와 충분히 접촉하는 것이 필요하므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 스팀 개질기(120)는 상기 유체 이동을 변경하기 위한 복수 개의 판형 배플(123)이 구비되며, 상기 판형 배플(123)은 대향하는 격벽으로부터 서로 교번하여 이격된다.
이하 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스팀 개질 반응기의 공정을 도면을 이용하여 상세히 설명한다.
도 4 내지 7은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스팀 개질 반응기의 운전 방법을 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 먼저 연소촉매 가스는 판형 연소촉매 반응기(110)의 일 측으로 유입된 후, 연소된다. 상기 연소를 촉진하기 위하여 상기 연소촉매 반응기(110) 내에는 팔라듐 계열의 복합산화물 촉매가 구비될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 판형 연소촉매 반응기(110)에는 충분한 연소열이 발생하지 않은 경우, 연소가스를 충분히 가열시키기 위한 보조적인 전기 히터가 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 전기 히터는 반응기의 초기 운전시 작동하여, 운전 초기부터 충분히 가열된 연소촉매 가스를 하부 기화기로 공급할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 연소된 연소촉매 가스(연소 후 가스)는 상기 판형 연소촉매 반응기(110)의 타측으로 배출되며, 상기 배출된 연소촉매 가스는 하단의 기화기(130)의 일 측으로 유입되며, 이를 위하여 상기 연소촉매 반응기(110)와 상기 기화기(130) 사이에는 상기 연소 후 가스를 유입시키기 위한 제 1 가스라인(310)이 구비된다.
도 6을 참조하면, 상기 제 1 가스라인(310)을 통하여 기화기(130)의 일 측으로 유입된 연소촉매 가스는 상기 기화기(130)의 타측으로 배출되는데, 상기 기화기(130) 내부에는 도 3에서 설명된 스팀라인(210)이 구비되는데, 그 결과 상기 기화기 내부로 유입된 연소촉매 가스는 상기 스팀라인(210) 내부로 유입되는 물을 가열시켜, 스팀을 발생시킨다. 상기 스팀라인(210)은 도 3에서 설명한 바와 같으므로, 이하 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 상기 스팀라인(210)으로부터 발생한 스팀은 상기 기화기(130)로부터 배출되어, 상기 기화기 상부에 결합된 판형 스팀개질기(120)로 공급된다. 상기 스팀개질 반응기(120) 내 구조에 대한 설명은 도 3에서 설명한 바와 같으니 이하 생략하며, 상기 스팀의 공급 및 반응가스 배출은 통상의 배관 라인 등을 통하여 이루어지므로, 종래 기술과 같다. 따라서, 이하 스팀 공급
이상 살핀 바와 같이, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기는 연료촉매 반응기/스팀개질기/기화기의 판형 적층 구조를 통하여, 개질기의 열 효율을 향상시키고, 아울러 물을 가열시키는 보일러 사용을 최소화함으로써 개질기 크기를 소형화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 상술한 고체산화물 연료전지 스팀 개질 반응기는 스택 형태(즉, 판 형태)의 연료전지의 상단 또는 하단과 용이하게 결합되어, 연료전지 시스템(연료전지, 개질기 포함)의 공간 활용도를 극대화할 수 있다. 이 경우, 상기 연료전지의 연료극 및 공기극의 배기가스(연료, 공기)등이 상기 판형 연소촉매 반응기 등에 공급, 가열되어, 스팀 발생에 사용될 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기로서, 상기 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기는,
    연소촉매 가스가 일 측으로 주입되어, 연소된 후 타측으로 배출되는 판형 연소촉매 반응기;
    상기 판형 연소촉매 반응기 하부에 결합된 판형 스팀 개질기;
    상기 판형 스팀 개질기 하부에 결합되어, 물이 내부로 주입되는 판형 기화기를 포함하며, 여기에서 상기 기화기에는 물이 주입된 후, 기화되어 스팀이 배출되는 스팀라인;
    상기 판형 연소촉매 반응기로부터 배출되는 연소촉매 가스가 일측으로 유입되는 연소촉매 가스 유입부; 및
    상기 유입된 연소촉매 가스가 외부로 배출되게 하는 연소촉매 가스 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스팀라인의 일단으로 주입된 물은 상기 기화기 내로 유입된 연소촉매 가스로부터 열을 공급받아 기화되어 스팀으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 스팀라인에서 형성된 스팀은 상기 스팀라인의 타단으로 배출되어, 상기 판형 스팀 개질기의 일 측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 판형 스팀 개질기로 유입되는 스팀은 상기 판형 스팀 개질기의 일 측으로 유입되기 전, 연료와 혼합되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 판형 연소촉매 반응기, 판형 스팀개질기, 판형 연소촉매 반응기는 동일 면적의 박스 형태인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 스팀라인은 상기 기화기의 일면의 일 측에 주입된 후, 상기 일면의 대향면의 타측으로 배출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 스팀라인은 적어도 하나 이상의 U자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 스팀라인은 적어도 하나 이상의 벨로우즈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스팀개질 반응기.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 스팀 개질기 내부에는 상기 주입되는 스팀개질기 연료와 스팀을 흐름을 변경하기 위한 적어도 하나 이상의 판형 배플이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스팀개질 반응기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 판형 스팀개질기 내에 구비되는 촉매는 세리아 베이스 귀금속 촉매인 것을 특징으로 하는 연료전지 스팀개질 반응기.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 판형 연소촉매 반응기 내에는 전기 히터가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스팀개질 반응기.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 스팀개질 반응기를 포함하는 연료전지 시스템으로, 상기 시스템은 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 스팀개질 반응기가 상기 연료전지 시스템의 연료전지 스택의 상단 또는 하단에 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 연료전지의 연료극 및 공기극이 배기가스가 상기 연료전지 스팀개질 반응기로 유입되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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