KR20170003015A - Auto Thermal Reformer for Fuel Cell using Hydrogen Peroxide - Google Patents

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KR20170003015A KR1020150093103A KR20150093103A KR20170003015A KR 20170003015 A KR20170003015 A KR 20170003015A KR 1020150093103 A KR1020150093103 A KR 1020150093103A KR 20150093103 A KR20150093103 A KR 20150093103A KR 20170003015 A KR20170003015 A KR 20170003015A
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하상현
한광우
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국방과학연구소
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Abstract

The present invention relates to an autothermal reforming reactor using an aqueous hydrogen peroxide solution for a fuel cell. The autothermal reforming reactor comprises a heat exchanger combined to the rear end of a conventional autothermal reforming catalyst layer, and supplies an aqueous hydrogen peroxide solution after adjusting the concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution with an oxidizing agent. Thus, the autothermal reforming reactor can supply oxygen and overheated steam decomposed through heat exchange between the aqueous hydrogen peroxide solution and reformed reaction gas. The autothermal reforming reactor can be autothermally operated under conditions of having thin oxygen, and has heat efficiency increased through heat recovery. In addition, provided is a reformer which can be made in a small size.

Description

과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기{Auto Thermal Reformer for Fuel Cell using Hydrogen Peroxide}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an autothermal reformer for a fuel cell using a hydrogen peroxide aqueous solution,

본 발명은 연료전지용 자열개질 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개질 촉매가 장착된 반응기와 과산화수소 수용액을 개질 반응가스와의 열교환을 통해 수증기와 산소로 분해시키기 위한 열교환기가 촉매층 후단에 분리가 가능한 형태로 결합되어, 과산화수소의 수용액의 농도 조절을 통해 촉매반응이 자열개질 반응이 되도록 함으로써, 산소가 희박한 조건에서도 열적자립 운전이 가능하며, 열 회수를 통한 열효율이 향상되고, 이울러 소형화가 가능한 과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a reactor for reforming a fuel cell and, more particularly, to a reactor for reforming a fuel reforming reactor for reforming a reforming reactor for a fuel cell, So that the autothermal reforming reaction can be carried out through the adjustment of the concentration of the aqueous solution of hydrogen peroxide so that the thermal self-standing operation can be performed even under the oxygen-lean condition, the thermal efficiency through the heat recovery is improved and the hydrogen peroxide solution To a reactor for reforming a fuel cell.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로써 높은 효율을 가질 뿐만 아니라 오염물질의 배출이 거의 없다는 장점을 가지고 있으며, 이러한 연료전지는 사용되는 전해질에 따라 고분자전해질연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell) 등으로 구분할 수 있다.A fuel cell is a device that converts chemical energy into electrical energy through electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. It has high efficiency and almost no emission of pollutants. (PEMFC), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), and Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC).

연료전지의 연료로 사용되는 수소를 생산하는 대표적인 방법으로는 탄화수소 연료의 개질(Reforming)과 물의 분해가 있으며, 상기 물의 분해를 통한 수소 생산 방법은 수소가 연소할 때 발생하는 에너지 이상의 에너지를 공급해야함으로 효율이 낮다는 단점이 있다. 그러므로 탄화수소 연료의 개질을 통한 수소 생산 방법이 현 기술수준과 경제성을 고려할 때 가장 효율적인 수소 생산 방법이라 할 수 있다.Reforming of hydrocarbon fuel and decomposition of water are typical methods of producing hydrogen used as a fuel of fuel cell. Hydrogen production method through decomposition of water should supply energy more than energy generated when hydrogen is burned. The efficiency is low. Therefore, the hydrogen production method through the reforming of the hydrocarbon fuel is the most efficient hydrogen production method considering the present technology level and economical efficiency.

탄화수소 연료의 개질 방법에는 연료와 함께 공급되는 반응물에 따라 부분산화(POX, Partial oxidation) 개질, 수증기 개질(SR, Steam reforming), 자열개질(ATR, Auto thermal reforming)로 분류할 수 있다.Modification methods of hydrocarbon fuels can be classified into partial oxidation (POX), steam reforming (SR), and automatic thermal reforming (ATR) depending on the reactants supplied with the fuel.

과산화수소는 일반적으로 무색, 무취로 물에 잘 녹으며 소독제, 표백제, 산화제, 유도체 제조 등에 광범위하게 사용되고 있다. 또한 과산화수소의 특징으로 인체에 무해한 무독성이며, 대기와의 화학적 반응성이 없고, 낮은 증발압력(예를 들어 과산화수소가 90wt% 농도인 경우 30℃에서 증발압력은 0.2kPa이지만, 액체산소의 경우 -118℃에서 증발압력은 5,080kPa임)과 높은 비열(예를 들어 과산화수소 100wt% 농도에서 2.52J/g·℃)을 가진다.Hydrogen peroxide is generally colorless and odorless, and is well soluble in water and widely used in the manufacture of disinfectants, bleaches, oxidants, and derivatives. In addition, the characteristics of hydrogen peroxide are non-toxic, harmless to the human body, have no chemical reactivity with the atmosphere, and have low vapor pressure (for example, when the concentration of hydrogen peroxide is 90 wt%, the evaporation pressure is 0.2 kPa at 30 ° C., (Eg, evaporation pressure of 5,080 kPa) and high specific heat (eg, 2.52 J / g · ° C at 100% concentration of hydrogen peroxide).

산소 저장 및 공급 측면에서 본다면 과산화수소의 경우 1bar, 25℃에서 산소저장밀도는 약 21molO2/liter인 반면에 액체산소의 경우 21molO2/liter를 얻기위해 485bar, 5℃ 조건이 되어야 한다. 또한 과산화수소는 상온에서 액체 상태를 유지하며 적절한 용기에서 장기간 보관이 가능하므로 액체산소처럼 저장탱크, 배관 등에 단열을 할 필요가 없어 상대적으로 부피당 저장효율이 높다는 장점을 가지고 있다.
From the viewpoint of oxygen storage and supply, the oxygen storage density at 25 ° C is about 21 molO 2 / liter at 1 bar for hydrogen peroxide, while 485 bar, 5 ° C is needed for 21 mol O 2 / liter for liquid oxygen. In addition, hydrogen peroxide maintains a liquid state at room temperature and can be stored in a suitable container for a long period of time. Therefore, it is advantageous in that the storage efficiency per volume is relatively high since there is no need to insulate the storage tank or piping such as liquid oxygen.

한국등록특허 제 10-1651589호Korean Patent No. 10-1651589

한편, 수중환경과 같은 산소가 희박한 조건에서 일반적인 자열개질 방법을 통한 수소 생산은 지속적인 산소공급을 위해 액체산소를 이용할 경우, 액체산소를 보관하기 위한 단열한 저장탱크 및 배관 등의 부대설비를 필요하며, 이러한 액체산소는 상기 언급된 과산화수소보다 상대적으로 부피대비 산소 저장효율이 낮다는 단점이 있다.On the other hand, hydrogen production through a general autothermal reforming method under oxygen-lean conditions such as an underwater environment requires additional facilities such as an insulated storage tank and piping for storing liquid oxygen when continuous oxygen is used for oxygen supply , This liquid oxygen has a disadvantage that the oxygen storage efficiency is relatively low in comparison with the above-mentioned hydrogen peroxide.

이에 따라 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 탄화수소 연료로부터 개질 반응가스를 제조하기 위한 산화제로 과산화수소 수용액을 이용하여 산소 저장 효율을 높이며, 반응기와 열교환기가 분리가 가능한 형태로 결합되어 반응가스의 열교환을 통해 과산화수소를 분해하는 방식으로 분해된 수증기와 산소를 반응기에 공급하는 열료전지용 자열개질 반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention takes the above-mentioned points into consideration and improves oxygen storage efficiency by using an aqueous hydrogen peroxide solution as an oxidizing agent for producing a reforming reaction gas from a hydrocarbon fuel. The reactor and the heat exchanger are combined in a form capable of separating, Which is decomposed by hydrogen peroxide, to oxygen and oxygen to the reactor.

또한, 본 발명은 과산화수소 수용액의 농도조절을 통해 자열개질 반응이 되도록 함으로써 수중환경 적용 어플리케이션인 잠수함이나 수중무인체계 등의 산소가 희박한 조건에서도 열적자립 운전이 가능하며, 열 회수를 통한 열효율이 향상되고 소형화가 가능한 연료전지용 자열 개질 반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention enables autothermal reforming reaction by controlling the concentration of aqueous hydrogen peroxide solution, thereby enabling thermal self-standing operation even under oxygen-lean conditions such as a submarine or underwater unmanned system, It is an object of the present invention to provide a genetic reforming reactor for a fuel cell capable of miniaturization.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료와 산화제의 반응을 촉진시키는 개질 촉매로 이루어진 촉매층(110)이 반응기 내부에 구비되어 있고, 연료 및 과산화수소 수용액으로부터 분해된 수증기 및 산소가 일단으로 유입되어 상기 촉매층(110)에서 자열개질 반응이 일어나는 반응기(100); 상기 반응기(100)와 분리가 가능한 형태로 결합되며, 상기 반응기 타단으로부터 배출되는 반응가스가 유입되고, 일단은 과산화수소 라인(210)이 연결되어 과산화수소 수용액이 유입되며, 다른 일단은 산화제 라인(500)이 연결되어 과산화수소 수용액으로부터 분해된 수증기와 산소가 배출되는 열교환기(200); 및 상기 반응기(100)의 일단에는 개질 반응에 필요한 연료가 이송되는 연료 라인(400)과, 상기 열교환기(200)에서 나온 수증기와 산소가 이송되는 산화제 라인(500)이 연결되어 이루어진다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a reforming catalyst comprising a catalyst layer (110) comprising a reforming catalyst promoting the reaction between a fuel and an oxidizing agent, wherein steam and oxygen decomposed from fuel and an aqueous hydrogen peroxide solution are introduced A reactor 100 in which the autothermal reforming reaction takes place in the catalyst layer 110; The reaction gas discharged from the other end of the reactor flows into the reactor 100 and the hydrogen peroxide solution line 210 is connected at one end to the aqueous solution of hydrogen peroxide and the other end is connected to the oxidizer line 500, A heat exchanger 200 for discharging water vapor and oxygen decomposed from an aqueous hydrogen peroxide solution; And a fuel line 400 to which the fuel required for the reforming reaction is transferred and an oxidant line 500 through which steam and oxygen are transferred from the heat exchanger 200 are connected to one end of the reactor 100.

여기에서 상기 반응기(100)에 유입되는 연료의 종류에 따라 상기 촉매층(110)에서 일어나는 촉매반응은 자열개질 반응이 일어나도록 상기 열교환기(200)에 유입되는 과산화수소 수용액의 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기를 제공한다.The catalytic reaction occurring in the catalyst layer 110 according to the type of the fuel flowing into the reactor 100 controls the concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution flowing into the heat exchanger 200 so that a self- A reforming reactor for a fuel cell using an aqueous hydrogen peroxide solution.

구체적으로, 본 발명의 연료전지용 자열개질 반응기는 상기 촉매층(110)에서 자열개질 반응이 일어나도록 유입되는 연료에 따라 자열개질 조건이 되는 SCR(Steam to Carbon ratio) 값과 OCR(Oxygen to Carbon ratio) 값을 계산하고, 계산된 SCR(Steam to Carbon ratio)과 OCR(Oxygen to Carbon ratio) 값으로 과산화수소 수용액의 농도를 계산하여 상기 열교환기(200)에 유입되는 과산화수소 수용액의 농도를 조절하는 것을 특징으로 한다.Specifically, the autothermal reforming reactor for a fuel cell according to the present invention has a steam to carbon ratio (SCR) value and an oxygen-to-carbon ratio (OCR) which are self-heating reforming conditions according to the fuel introduced to cause the autothermal reforming reaction in the catalyst layer 110, And the concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution flowing into the heat exchanger 200 is controlled by calculating the concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution by using the calculated steam to carbon ratio (SCR) and the oxygenated to carbon ratio (OCR) do.

여기서 상기 SCR(Steam to Carbon ratio)은 수증기(H2O)와 탄소(C)의 몰비(H2O/C)를 나타내고, 상기 OCR(Oxygen to Carbon ratio)은 산소(O2)와 탄소(C)의 몰비(O2/C)나타낸다.Wherein the SCR (Steam to Carbon ratio) is water vapor (H 2 O) and represents the molar ratio (H 2 O / C) of carbon (C), the OCR (Oxygen to Carbon ratio) is an oxygen (O 2) and carbon ( C) (O 2 / C).

본 발명의 일 실시예에서, 상기 열교환기(200)에서는 상기 과산화수소 라인(210)을 통해 유입된 과산화수소 수용액은 상기 반응기(100)로부터 유입되는 반응가스의 열이 전달되어 수증기와 산소로 분해되며, 이 때 유입되는 과산화수소 수용액의 농도조절을 통해 자열개질 반응조건을 형성하여, 연료 및 상기 과산화수소 수용액에서 분해된 수증기와 산소가 반응기의 일단으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질 반응기를 제공한다.In an embodiment of the present invention, in the heat exchanger 200, the hydrogen peroxide solution introduced through the hydrogen peroxide line 210 is decomposed into steam and oxygen by transferring the heat of the reaction gas introduced from the reactor 100, Wherein the autothermal reforming reaction condition is formed by controlling the concentration of the hydrogen peroxide aqueous solution introduced at this time and steam and oxygen decomposed in the fuel and the aqueous hydrogen peroxide solution are supplied to one end of the reactor.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 열교환기(200)는 상기 반응기(100) 하단에 분리가능하게 장착됨을 특징으로 하는 연료전지용 자열개질 반응기를 제공한다.In an embodiment of the present invention, the heat exchanger 200 is detachably mounted to the lower end of the reactor 100.

상기 연료 라인(400) 및 상기 산화제 라인(500)의 일단에는 연료, 수증기 및 산소를 무화시켜 반응기(100)에 유입하는 분무장치(600)를 더 포함할 수 있으며, 상기 분무장치(600)는 상기 연료 라인(400)을 통해 유입된 연료 및 상기 산화제 라인(500)을 통해 유입된 수증기와 산소를 혼합시킨 후, 상기 반응기(100)의 내부에 장착된 개질 촉매와 접촉한다.The spray device 600 may further include a spray device 600 for atomizing fuel, steam and oxygen into the reactor 100 at one end of the fuel line 400 and the oxidizer line 500, The fuel introduced through the fuel line 400 and the steam and oxygen introduced through the oxidizer line 500 are mixed with each other and then contacted with the reforming catalyst mounted inside the reactor 100.

한편, 과산화수소의 분해열을 고려하였을 때, 과산화수소 수용액의 농도가 67wt% 이상인 경우 과산화수소는 분해열에 의해 비등점까지 온도를 올릴 수 있는 열을 발생시키며 수용액 내 생성물을 모두 기체상으로 만들 수 있으므로, 급격한 부피팽창으로 인해 저장 및 공급 시 안전상의 문제가 발생할 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 열교환기로 공급되는 과산화수소 수용액의 농도는 67wt% 미만인 것이 바람직하다.On the other hand, considering the decomposition heat of hydrogen peroxide, when the concentration of aqueous hydrogen peroxide solution is more than 67 wt%, hydrogen peroxide generates heat capable of raising the temperature to the boiling point by the heat of decomposition and can make the products in the aqueous solution all gas phase, May cause safety problems during storage and supply. Therefore, the concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution supplied to the heat exchanger according to the present invention is preferably less than 67 wt%.

본 발명의 일 실시예에서, 과산화수소 수용액의 농도와 공급되는 연료의 종류에 따라 SCR(Steam to Carbon ratio)와 OCR(Oxygen to Carbon ratio)이 계산되며, 이때 자열개질 조건은 SCR, OCR 및 반응온도에 따라 정해지므로, 자열개질을 위해 목표 반응온도 및 연료에 따라 과산화수소 수용액의 농도를 결정하여 공급할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the steam to carbon ratio (SCR) and the oxygen to carbon ratio (OCR) are calculated according to the concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution and the type of the fuel supplied, wherein the autothermal reforming conditions include SCR, OCR, , The concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution can be determined and supplied depending on the target reaction temperature and fuel for autothermal reforming.

본 발명에 따른 과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기는 수중환경과 같은 산소공급이 어렵고 산소가 희박한 조건에서도 지속적인 산소의 공급의 필요 없이, 과산화수소 수용액을 이용하여 열적 자립 운전이 가능한 자열개질 반응을 이룰 수 있으며, 자열개질 반응에서 발생하는 반응가스의 열을 이용하여 과산화수소 수용액으로부터 자열개질 반응에 필요한 수증기와 산소로 변환시킴으로 열 회수 및 열효율 측면에서 우수하다.The autothermal reforming reactor for a fuel cell using an aqueous hydrogen peroxide solution according to the present invention performs a self-heating reforming reaction capable of thermally self-standing operation by using an aqueous hydrogen peroxide solution without the need of continuously supplying oxygen even under oxygen- And it is excellent in terms of heat recovery and thermal efficiency by converting the reaction gas heat generated in the autothermal reforming reaction into water vapor and oxygen necessary for the autothermal reforming reaction from the aqueous hydrogen peroxide solution.

또한, 수중환경 등과 같이 산소가 희박한 조건에서 본 발명의 과산화수소를 이용한 연료전지용 자열개질 반응기를 이용 시 추가적인 액체산소 탱크나, 개질반응 시 필요한 수증기를 위해 물을 가열하는 버너 등의 장치들을 최소화할 수 있으므로, 개질기를 이루는 시스템의 크기를 소형화할 수 있다.In addition, when the autothermal reforming reactor for fuel cells using the hydrogen peroxide of the present invention is used under oxygen-lean conditions such as underwater environments, additional liquid oxygen tanks and burner for heating water for steam required for reforming reaction can be minimized Therefore, it is possible to downsize the size of the system constituting the reformer.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기에 대한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기의 자열개질 반응에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분무장치가 장착된 연료전지용 자열개질 반응기에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분무장치가 장착된 연료전지용 자열개질 반응기의 자열개질 반응에 대한 개략도이다.
1 is a cross-sectional view of a autothermal reforming reactor for a fuel cell using an aqueous hydrogen peroxide solution according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram for a self-thermal reforming reaction of a genetic reforming reactor for a fuel cell using an aqueous hydrogen peroxide solution according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of a genetic modification reactor for a fuel cell equipped with a spray device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view of a self-heating reforming reaction of a self-promoting reactor for a fuel cell equipped with a spraying apparatus according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일하거나 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 하며, 또한 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the same or similar elements throughout the several views. In the following description, a detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the embodiments disclosed in the present specification may be blurred.

본 명세서에서, "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. In this specification, the terms "comprises", "comprising", or "having" are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, Steps, operations, elements, components, or combinations of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Also, the singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기에 대한 단면도이며, 도시된 바와 같이 본 발명의 자열개질 반응기는 내부에 개질 촉매로 이루어진 촉매층(110)이 장착된 반응기(100)와, 상기 반응기와 결합되어 상기 반응기의 촉매층(110)을 지나온 개질반응 후 고온의 반응가스와 과산화수소 수용액이 각각 유입되는 열교환기(200)를 갖으며, 그리고 상기 반응기(100) 상단부에는 연료를 이송하는 연료 라인(400)과 상기 열교환기(200)에서 과산화수소 수용액으로부터 분해된 수증기 및 산소를 이송하는 산화제 라인(500)이 연결되어 구성된다. 여기서 상기 촉매층(110)을 이루는 개질 촉매로는 사용 연료에 따라 다양한 금속 및 세라믹 조성을 갖는 촉매가 사용될 수 있으며, 이를 특별히 제한하지 않는다.FIG. 1 is a cross-sectional view of a genetic reforming reactor for a fuel cell using an aqueous hydrogen peroxide solution according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the autothermal reforming reactor of the present invention includes a reactor 110 having a catalyst layer 110 (100), and a heat exchanger (200) connected to the reactor, through which a high temperature reaction gas and an aqueous hydrogen peroxide solution are introduced after the reforming reaction through the catalyst layer (110) of the reactor, A fuel line 400 for transferring fuel and an oxidizer line 500 for transferring water vapor and oxygen decomposed from an aqueous hydrogen peroxide solution in the heat exchanger 200 are connected. As the reforming catalyst constituting the catalyst layer 110, a catalyst having various metal and ceramic compositions may be used depending on the fuel used, and there is no particular limitation thereto.

상기 열교환기(200) 일단은 과산화수소 수용액이 유입되는 과산화수소 라인(210)과, 다른 일단은 유입된 과산화수소 수용액의 분해반응으로 생성된 수증기 및 산소를 배출하는 산화제 라인(500)이 형성되어 있다.One end of the heat exchanger 200 is formed with an oxidizer line 500 for discharging water vapor and oxygen generated by the decomposition reaction of the introduced hydrogen peroxide aqueous solution and the hydrogen peroxide line 210 into which hydrogen peroxide solution is introduced.

그리고 이와 같은 본 발명의 과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기의 형태는 기본적으로 원통형이 주로 쓰일 수 있으며, 적용 분야에 따라 그 형태가 달라질 수 있다.The shape of the autothermal reforming reactor for a fuel cell using the aqueous hydrogen peroxide solution of the present invention may be basically cylindrical, and the shape may be changed according to application fields.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 상기와 같이 구성된 자열개질 반응기를 통하여 과산화수소 수용액을 이용한 자열개질의 반응에 과정을 나타낸 것으로 도 2를 참조하면, 상기 열교환기(200)의 하단부분에서는 과산화수소 수용액이 유입되며, 상기 열교환기(200)의 상단부분에는 상기 반응기(100)의 촉매층(110)에서 개질반응 후 배출되는 상대적으로 고온의 반응가스가 유입된다.FIG. 2 shows a process of a self-sustaining reaction using an aqueous hydrogen peroxide solution through a autothermal reforming reactor constructed as described above according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, in the lower portion of the heat exchanger 200, And a relatively high temperature reaction gas discharged from the catalyst layer 110 of the reactor 100 after the reforming reaction flows into the upper portion of the heat exchanger 200.

구체적으로 살펴보면 상기 반응기(100)에서는 연료와 산화제로 수증기와 산소가 만나면 일반적으로 촉매층(110)에서 급격한 화학반응으로 개질반응이 일어남과 동시에 이러한 개질반응을 통해 수소가 다량 포함된 반응가스를 생성하며, 또한 반응시 엔탈피 변화에 의하여 다량의 열이 발생하게 된다. 이를 통해 고온의 반응가스가 생성된다.In detail, in the reactor 100, when steam and oxygen are mixed with the fuel and the oxidizing agent, a reforming reaction occurs in the catalyst layer 110 by an abrupt chemical reaction. At the same time, a reaction gas containing a large amount of hydrogen is generated through the reforming reaction , And a large amount of heat is generated by the change of enthalpy in the reaction. This produces a high temperature reaction gas.

열교환기(200)에서는 상기 반응기(100)로부터 유입되는 고온의 반응가스의 열이 열교환기로 유입된 과산화수소 수용액으로 전달되어, 아래 반응식 1과 같이 과산화수소 수용액(H2O2)의 분해반응이 일어남과 동시에 발생되는 물과 수용액 내의 물이 수증기로 기화된다.In the heat exchanger 200, the heat of the high-temperature reaction gas flowing from the reactor 100 is transferred to the aqueous hydrogen peroxide solution introduced into the heat exchanger, and decomposition reaction of the aqueous hydrogen peroxide solution (H 2 O 2 ) Simultaneously, water and water in the aqueous solution are vaporized with water vapor.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

H2O2 (l)→H2O(l)+(1/2)O2 (g), △H<0, △H=-98.1(kJ/mol) H 2 O 2 (1) ? H 2 O (1) + (1/2) O 2 (g) ? H <0,? H = -98.1 (kJ / mol)

H2O(l)→H2O(g), △H>0, △H=40.7(kJ/mol)H 2 O (1) - > H 2 O (g) , ? H> 0,? H = 40.7 (kJ / mol)

상기 반응식 1의 두 화학반응식에 따라 열교환기(200)에서 과산화수소 수용액이 산소와 수증기로 변화하는 과정을 나타낸 전체 반응식은 하기 반응식 2와 같으며, 반응 엔탈피(△H)는 흡열반응이 된다.The overall reaction formula showing the process of changing the aqueous hydrogen peroxide solution into oxygen and water vapor in the heat exchanger 200 according to the two chemical reaction formulas in the reaction formula 1 is as shown in the following reaction formula 2, and the reaction enthalpy (ΔH) is an endothermic reaction.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

H2O2 ( aq )→H2O(g)+O2 (g) H 2 O 2 ( aq ) - &gt; H 2 O (g) + O 2 (g)

이와 같이 열교환기(200) 내에서 열 교환을 통해 반응가스의 온도는 낮아지며, 이 처럼 열교환기(200) 내에서 열 교환을 통해 온도가 낮아진 상대적으로 저온의 반응가스는 반응가스 배출구(300)을 통해 배출되고, 또한 열교환기를 거쳐 나온 과산화수소 수용액으로부터 분해된 수증기와 산소는 산화제 라인(500)을 통해 반응기(100)의 상단부로 주입이 된다.The temperature of the reaction gas is reduced through heat exchange in the heat exchanger 200. The relatively low temperature reaction gas whose temperature has been lowered through heat exchange in the heat exchanger 200 is discharged through the reaction gas outlet 300 And the water vapor and oxygen decomposed from the aqueous hydrogen peroxide solution that has been discharged through the heat exchanger are injected into the upper end portion of the reactor 100 through the oxidizer line 500.

여기서 과산화수소 수용액으로부터 분해되어 열교환기를 빠져나오는 수증기와 산소의 온도는 기체 상태로 반응기에 유지되며 공급되는 것이 개질 성능에 있어 유리하므로 150℃ 이상이 되도록 열교환기를 설계해야만 한다.Here, the heat exchanger must be designed so that the temperature of water vapor and oxygen that is decomposed from the hydrogen peroxide solution and exits the heat exchanger is maintained in the gaseous state in the reactor and is supplied for the reforming performance.

이러한 열교환기의 설계 변수는 열교환기의 총괄열전달계수(Overall heat-transfer coefficient, W/(m2·K))와 열전달면적(Heat-transfer area, m2) 및 공급, 유출되는 반응가스 및 과산화수용액의 온도이며, 본 발명에서 열교환기의 형태는 반응기와 결합이 되는 형태인 것이 바람직하다.The design variables of this heat exchanger are the overall heat transfer coefficient (W / (m 2 · K)) of the heat exchanger, the heat transfer area (m 2 ) The temperature of the aqueous solution, and the type of the heat exchanger in the present invention is preferably a form that is combined with the reactor.

반응기(100)에 공급되는 연료는 기체연료 또는 액체연료로 제한 없이 사용될 수 있으며, 만약 기체연료를 연료로 이용 시에는 반응기에 수증기와 산소가 유입된 다음 기체연료와 혼합될 수 있으며, 액체연료 이용 시에는 도 3 또는 도 4에서처럼 개질효율을 높이기 위해 반응기에 연결된 연료 라인(400) 및 산화제 라인(500)의 일단에 분무 및 무화 특성을 높일 수 있는 분무장치(600)를 더 포함할 수 있다.The fuel supplied to the reactor 100 can be used without limitation as a gaseous fuel or a liquid fuel, and when the gaseous fuel is used as a fuel, it can be mixed with the gaseous fuel after steam and oxygen are introduced into the reactor, A fuel line 400 connected to the reactor and an atomizer 600 capable of raising the atomization and atomization characteristics at one end of the oxidizer line 500 may be further included to enhance the reforming efficiency as shown in FIG. 3 or FIG.

상기 분무장치(600)는 상기 연료 라인(400)에서 통해 공급된 연료와 상기 산화제 라인(500)을 통해 공급된 수증기 및 산소를 혼합하고 무화시켜 상기 반응기(100) 내부에 구비된 촉매층과 접촉하게 만든다.The spray device 600 mixes and atomizes the fuel supplied through the fuel line 400 and the steam and oxygen supplied through the oxidizer line 500 to contact the catalyst layer provided in the reactor 100 I make it.

본 발명의 연료전지용 자열개질 반응기는 반응기에서 과산화수소 수용액을 사용함에 있어서 안전한 범위 내에 자열개질 반응 조건이 발열반응이 되도록 연료와 산화제의 비율을 조절하여 공급할 수 있으며, 따라서 과산화수소 수용액의 농도를 조절할 수 있다.In the autothermal reforming reactor for fuel cells of the present invention, the ratio of the fuel and the oxidizer can be adjusted so that the autothermal reforming reaction condition becomes an exothermic reaction within a safe range when the hydrogen peroxide solution is used in the reactor, and thus the concentration of the hydrogen peroxide solution can be controlled .

그러므로 본 발명의 과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기는 공급 연료의 종류에 따라 자열개질 조건이 되는 SCR(Steam to Carbon ratio)와 OCR(Oxygen to Carbon ratio)의 계산하고, 계산된 SCR(Steam to Carbon ratio)와 OCR(Oxygen to Carbon ratio)의 값으로 과산화수소 수용액의 농도를 계산하여 과산화수소 수용액이 공급할 수 있다.Therefore, the autothermal reforming reactor for a fuel cell using the aqueous hydrogen peroxide solution of the present invention calculates the steam to carbon ratio (SCR) and the oxygen to carbon ratio (OCR), which are the autothermal reforming conditions, Carbon ratio) and oxygenated to carbon ratio (OCR), the hydrogen peroxide solution can be supplied by calculating the concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution.

이를 구체적으로 살펴보면 일반적으로 100wt% 농도의 과산화수소의 분해반응은 다음 반응식 3과 같이 진행되며, 1몰의 과산화수소(H2O2)는 분해되어 1몰의 물(H2O)과 1/2몰의 산소(O2)를 생성하게 된다.Specifically, decomposition reaction of hydrogen peroxide at a concentration of 100 wt% proceeds as shown in the following reaction formula 3, and 1 mol of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is decomposed to produce 1 mol of water (H 2 O) Of oxygen (O 2 ).

[반응식 3][Reaction Scheme 3]

H2O2 (l)→H2O(l)+(1/2)O2 (g) △H=-98.1(kJ/mol) H 2 O 2 (l) → H 2 O (l) + (1/2) O 2 (g) △ H = -98.1 (kJ / mol)

그리고 자열개질(ATR) 반응은 아래의 반응식 4와 같으며, 반응물로 연료와 더불어 물, 산소와 함께 산화제로 과산화수소 수용액을 공급하여 반응하는 발열반응으로 수소, 물, 산화탄소가 생성된다.The autothermal reforming (ATR) reaction is as shown in Scheme 4 below. Hydrogen, water, and carbon dioxide are produced by an exothermic reaction in which an aqueous hydrogen peroxide solution is supplied as an oxidant together with fuel and water as a reactant.

여기서 OCR(Oxygen to Carbon ratio)는 공급된 산소(O2)와 연료의 몰비로 OCR은 과산화수소가 모두 분해되었을 때 생성되는 산소의 몰수를 총 탄소 몰수로 나눈 것이며, SCR(Steam to Carbon ratio)는 공급된 수증기(H2O)와 연료의 몰비로 탄소 대 증기의 몰비를 나타낸다. 또한 n은 공급 연료의 탄소 수를 나타낸다.Here, the Oxygen to Carbon ratio (OCR) is the molar ratio of the supplied oxygen (O 2 ) to the fuel. OCR is the ratio of the number of moles of oxygen generated when the hydrogen peroxide is decomposed by the total number of moles of carbon, and the steam to carbon ratio The molar ratio of water vapor (H 2 O) and fuel supplied represents the molar ratio of carbon to steam. And n represents the number of carbon atoms of the supplied fuel.

[반응식 4][Reaction Scheme 4]

CnHm+n·OCR(O2+3.76N2)+n·SCR·H2O→H2+COx+H2O, △H<0C n H m + n OCR (O 2 + 3.76 N 2 ) + n SCR H 2 O? H 2 + CO x + H 2 O,? H <0

상기 반응식 3과 반응식 4를 참조하여 OCR(Oxygen to Carbon ratio)과 SCR(Steam to Carbon ratio)의 값을 계산할 수 있으며, 이렇게 계산된 SCR과 OCR의 값을 통해 과산화수소 수용액의 농도를 계산할 수 있다.The Oxygen to Carbon ratio (OCR) and Steam to Carbon ratio (SCR) values can be calculated with reference to the above reaction formulas 3 and 4, and the concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution can be calculated from the values of SCR and OCR.

즉, 본 발명에 따른 과산화수소를 이용한 연료전지용 자열개질 반응기는 대부분의 탄화수소 연료들의 개질반응을 과산화수소 수용액의 농도조절을 통해 자열개질 반응으로 만들 수 있으며, 이는 발열량과 화학평형조성 계산 시 탄소침적이 느리게 일어난다고 가정하면, 탄소의 생성량을 제외한 과산화수소 농도는 열역학적 계산을 통해 구할 수 있다.That is, the autothermal reforming reactor for hydrogen fuel cells using hydrogen peroxide according to the present invention can make the reforming reaction of most hydrocarbon fuels into autothermal reforming reaction by controlling the concentration of aqueous hydrogen peroxide solution. This means that carbon deposition is slow in calculation of calorific value and chemical equilibrium composition The hydrogen peroxide concentration, excluding the amount of carbon produced, can be obtained through thermodynamic calculations.

예를 들어 과산화수소 수용액(H2O2 ( aq ))의 농도에 따른 탄소 대 증기 비인 SCR을 3.0으로 고정하여 계산한 결과에서, 과산화수소 수용액(H2O2 ( aq ))의 농도가 20, 30, 40, 50 wt%으로 변하는 경우 OCR의 값은 순서대로 0.18, 0.28, 0.39, 0.52로 변화한다. 즉 과산화수소 수용액의 농도가 증가할수록 공급된 탄소와 산소의 몰비를 나타내는 OCR의 값은 점점 증가됨을 알 수 있다.For example, an aqueous hydrogen peroxide solution (H 2 O 2 (aq) ) from the result of calculation by fixing the carbon to steam ratio SCR to 3.0 according to the concentration, the aqueous hydrogen peroxide solution (H 2 O 2 (aq) ) the concentration is 20, 30 of the , 40, and 50 wt%, the values of OCR change to 0.18, 0.28, 0.39, and 0.52, respectively. That is, as the concentration of hydrogen peroxide solution increases, the value of OCR, which represents the mole ratio of supplied carbon to oxygen, increases gradually.

일 실시예에서 자열개질 반응조건을 만들기 위해 연료의 종류에 따라 과산화 수용액 농도의 계산을 위한 열역학적 계산 결과는 다음과 같으며, 여기서, 열역학 계산 시 평형조성과 반응열은 해당 반응온도와 1기압(1bar) 기준으로 깁스자유에너지(Gibbs free energy)가 최솟값이 될 때의 값을 구한 것이다. 공급되는 연료의 온도는 25℃로 설정하였으며, 공급되는 수증기(H2O(g))와 산소(O2 (g))의 온도는 150℃로 설정하였다.In one embodiment, the thermodynamic calculation results for calculating the concentration of aqueous peroxide depending on the type of fuel to make the autothermal reforming reaction conditions are as follows, wherein the equilibrium composition and the heat of reaction in the thermodynamic calculation correspond to the reaction temperature and 1 atm ), The value obtained when the Gibbs free energy becomes the minimum value. The temperature of the supplied fuel was set at 25 ° C and the temperature of the supplied water vapor (H 2 O (g) ) and oxygen (O 2 (g) ) was set at 150 ° C.

또한 본 발명의 일 실시예에서 자열개질 반응기에서 자열개질 반응온도는 400 내지 900℃ 로 다양한 온도범위를 가질 수 있으며, 상기 연료로는 메탄, 에탄올, 가솔린, 등유, 디젤, GTL(gas-to-liquid) 연료 등을 사용할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the autothermal reforming reaction temperature in the autothermal reforming reactor is 400 To 900 ° C, and the fuel may be methane, ethanol, gasoline, kerosene, diesel, gas-to-liquid (GTL) fuel, or the like.

메탄(CH4)연료 이용 시 열역학적 계산 결과 600℃에서 자열개질 반응이 발생하는 조건은 SCR=3.5, OCR=0. 6이며, 이에 따라 자열개질 반응을 위한 과산화수소 수용액 농도는 49.6 wt%이다. 이러한 메탄연료의 개질반응은 하기 반응식 5와 같다.The thermodynamic calculation results for methane (CH 4 ) fuel are as follows: SCR = 3.5, OCR = 0. 6, and thus the concentration of aqueous hydrogen peroxide solution for autothermal reforming reaction is 49.6 wt%. This reforming reaction of methane fuel is shown in the following reaction formula (5).

[반응식 5][Reaction Scheme 5]

CH4 (g)+3.5H2O(g)+0.6O2 (g)→2.39H2 (g)+0.73CO2 (g)+0.22CO(g)+0.05CH4 (g)+ 3.01H2O(g), 600℃의 반응온도에서 △H=-13.62J CH 4 (g) + 3.5H 2 O (g) + 0.6O 2 (g) → 2.39H 2 (g) + 0.73CO 2 (g) + 0.22CO (g) + 0.05CH 4 (g) + 3.01H 2 O (g) at a reaction temperature of 600 DEG C, DELTA H = -13.62 J

가솔린연료 이용 시 열역학적 계산 결과 600℃에서 자열개질 반응이 발생하는 조건은 SCR=3.0, OCR=0.5 이며, 이에 따라 자열개질 반응을 위한 과산화수소 수용액 농도는 48.6 wt%이다. 이러한 가솔린연료의 개질반응은 하기 반응식 6과 같으며, 여기서 상기 가솔린연료는 이소옥탄(iso-octane)을 대행연료로 사용하였다.As a result of thermodynamic calculation of gasoline fuel, the conditions under which autothermal reforming occurs at 600 ° C SCR = 3.0, OCR = 0.5, and thus the aqueous hydrogen peroxide solution concentration for the autothermal reforming reaction is 48.6 wt%. The reforming reaction of the gasoline fuel is as shown in the following reaction formula 6, wherein the gasoline fuel is iso-octane.

[반응식 6][Reaction Scheme 6]

C8H18 (l)+24H2O(g)+4O2 (g)→14.00H2 (g)+5.95CO2 (g)+1.73CO(g)+0.32CH4 (g)+ 18.37H2O(g), 600℃의 반응온도에서 △H=-244.6J C 8 H 18 (l) + 24H 2 O (g) + 4O 2 (g) → 14.00H 2 (g) + 5.95CO 2 (g) + 1.73CO (g) + 0.32CH 4 (g) + 18.37H 2 O (g) at a reaction temperature of 600 DEG C, DELTA H = -244.6 J

디젤연료 이용 시 열역학적 계산 결과 600℃에서 자열개질 반응이 발생하는 조건은 SCR은 3.0, OCR는 0.5이며, 이에 따른 자열개질 반응을 위한 과산화수소 수용액 농도는 48.6 wt%이다. 이러한 디젤연료의 개질반응은 하기 반응식 7과 같으며, 여기서 상기 디젤연료는 노멀 도데케인(n-dodecane)을 대행연료로 사용하였다.The thermodynamic calculation results of diesel fuel using autothermal reforming at 600 ℃ showed that SCR is 3.0 and OCR is 0.5, and the concentration of aqueous hydrogen peroxide solution for autothermal reforming is 48.6 wt%. The reforming reaction of the diesel fuel is as shown in the following reaction formula 7, wherein the diesel fuel uses n-dodecane as a substitute fuel.

[반응식 7][Reaction Scheme 7]

C12H26 (l)+36H2O(g)+6O2 (g)→20.61H2 (g)+8.97CO2 (g)+2.57CO(g)+0.45CH4 (g)+ 27.48H2O(g), 600℃의 반응온도에서 △H=-394.5J C 12 H 26 (l) + 36H 2 O (g) + 6O 2 (g) → 20.61H 2 (g) + 8.97CO 2 (g) + 2.57CO (g) + 0.45CH 4 (g) + 27.48H 2 O (g) at a reaction temperature of 600 DEG C, DELTA H = -394.5 J

상기 반응식 5 내지 반응식 7에서는 연료에 따라 포함된 탄소수가 다르므로 각 연료에서 동일한 SCR과 OCR 값이라도 반응식 4에서처럼 탄소수에 따라 화학반응계수의 값은 다르며, 또한 각각의 연료에 따라 깁스자유에너지 최소화(Gibbs free energy minimization)되는 경로가 다르므로 엔탈피 변화량(△H)은 다르게 나타남을 알 수 있다.Since the number of carbon atoms contained in each of the fuel types differs depending on the fuel, the values of the chemical reaction coefficients vary depending on the number of carbon atoms in the same SCR and OCR values as in the reaction formula 4, and the Gibbs free energy minimization Gibbs free energy minimization) are different from each other, the enthalpy change (ΔH) is different.

이처럼 과산화수소 수용액의 농도의 조절을 통해 자열개질 반응이 발열 조건이면 외부의 열원 없이 열적 자립운전이 가능하며, 비교적 높은 수소 수득률과 상대적으로 빠른 응답속도를 갖는다. 또한 자열개질 시 발생하는 열을 회수를 통해 열효율을 높일 수 있는 효과가 있다.If the autothermal reforming reaction under exothermic condition is controlled by adjusting the concentration of the hydrogen peroxide solution, it is possible to perform the thermally self-sustaining operation without the external heat source, and has a relatively high hydrogen yield and a relatively fast response speed. In addition, there is an effect that the thermal efficiency can be increased by recovering heat generated during autothermal reforming.

또한, 본 발명에서 과산화수소 수용액의 농도는 과산화수소 수용액의 분해열을 고려했을 때, 과산화수소 수용액의 농도가 67wt% 이상에서 과산화수소 수용액은 분해열에 의해 비등점까지 온도를 올릴 수 있는 열을 발생시키고, 분해열이 과산화수소 수용액 내의 생성물을 모두 기체상으로 만들어 수증기와 산소를 발생시키며, 급격한 가스발생으로 인한 부피팽창으로 인해 저장 및 공급에 있어 안전상의 문제를 일으킬 수 있다.In the present invention, the concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution is such that, when the concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution is 67 wt% or more, considering the heat of decomposition of the aqueous hydrogen peroxide solution, the aqueous hydrogen peroxide solution generates heat capable of raising the temperature to the boiling point, Which generate steam and oxygen, and may cause safety problems in storage and supply due to the volume expansion due to abrupt gas generation.

그러나 67wt% 미만의 과산화수소 수용액에서는 분해반응에서 나오는 분해열이 모두 수용액 내 물의 증발열로 쓰이며, 분해 생성물은 물과 산소이다. 따라서 본 발명에서는 극한의 수중환경에서 과산화수소 수용액을 이용 시 저장 및 공급에서의 안전성을 고려하여 67wt% 미만의 농도로 한정하여 사용하는 것이 바람직하다.However, in case of less than 67wt% aqueous hydrogen peroxide solution, all of the decomposition heat from the decomposition reaction is used as the heat of evaporation of water in the aqueous solution, and the decomposition products are water and oxygen. Therefore, in the present invention, it is preferable to limit the concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution to less than 67 wt% in consideration of safety in storage and supply when using an aqueous hydrogen peroxide solution in an extreme underwater environment.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같이, 농도를 조절한 과산화수소 수용액을 개질 반응의 대체 산화제로 공급된다. 이러한 농도가 조절된 과산화수소 수용액은 열교환기에서 자열개질 반응으로 생성된 반응가스 열과의 열교환을 통해 자열개질 반응의 산화제인 물과 산소로 분해되어 공급하므로, 향상된 열효율을 갖고 산소가 희박한 조건에서도 이용 가능한 연료전지용 자열개질 반응기를 제공한다.As described above, the present invention provides an aqueous hydrogen peroxide solution with a controlled concentration as an alternative oxidizing agent for the reforming reaction. This concentration of hydrogen peroxide solution is decomposed into water and oxygen, which are the oxidizing agents of the autothermal reforming reaction, through the heat exchange with the reaction gas heat generated by the autothermal reforming reaction in the heat exchanger, so that the hydrogen peroxide can be used even under oxygen- Thereby providing a autothermal reforming reactor for a fuel cell.

또한 과산화수소 수용액을 산화제로 이용한다면 기존에 액체산소를 이용하는 것보다 산소 저장 효율을 높일 수 있으며, 공급되는 산화제를 추가적인 열원을 공급하여 가열할 필요가 없으므로, 소형화된 연료전지용 자열개질 반응기를 제공할 수 있다.In addition, if an aqueous hydrogen peroxide solution is used as an oxidizing agent, it is possible to increase the oxygen storage efficiency as compared with the case where liquid oxygen is used, and it is not necessary to supply the supplied oxidizing agent with an additional heat source so as to provide a miniaturized autothermal reforming reactor for fuel cells have.

앞서 살펴본 실시예는 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 또한, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균들물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
It will be apparent to those skilled in the art that the embodiments described above may be embodied in other specific forms without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the above description should not be construed in a limiting sense in all respects and should be considered illustrative. It is also intended that the scope of the invention be determined by rational interpretation of the appended claims and that all changes which come within the spirit and scope of the invention, Are included in the scope of the present invention.

100 : 반응기 110 : 촉매층
200 : 열교환기 210 : 과산화수소 라인
300 : 반응가스 배출구 400 : 연료 라인
500 : 산화제 라인 600 : 분무장치
100: Reactor 110: Catalyst layer
200: heat exchanger 210: hydrogen peroxide line
300: reaction gas outlet 400: fuel line
500: oxidizer line 600: atomizer

Claims (5)

개질 촉매로 이루어진 촉매층(110)이 내부에 구비되어 있고, 연료 및 과산화수소 수용액으로부터 분해된 수증기와 산소가 일단으로 유입되어 상기 촉매층에서 자열개질 반응이 일어나는 반응기(100);
상기 반응기(100)와 결합되어, 상기 반응기의 촉매층(110)으로부터 배출되는 반응가스가 유입되고, 일단은 과산화수소 라인(210) 연결되어 과산화수소 수용액이 유입되며, 다른 일단은 산화제 라인(500)이 연결되어 과산화수소 수용액으로부터 분해된 수증기와 산소가 배출되는 열교환기(200);및
상기 반응기(100) 일단에는 개질 반응에 필요한 연료가 이송되는 연료 라인(400)과, 상기 열교환기(200)에서 나온 수증기와 산소를 이송하는 산화제 라인(500)이 연결되어 이루어지며,
상기 반응기(100)에 유입되는 연료의 종류에 따라 상기 촉매층(110)에서 자열개질 반응이 일어나도록 상기 열교환기(200)에 유입되는 과산화수소 수용액의 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기.
A reactor 100 in which a catalyst layer 110 made of a reforming catalyst is provided and steam and oxygen decomposed from a fuel and an aqueous hydrogen peroxide solution are introduced at one end to effect autothermal reforming in the catalyst layer;
The reaction gas discharged from the catalyst layer 110 of the reactor flows into the reactor 100 and is connected to the hydrogen peroxide line 210 at one end to introduce an aqueous hydrogen peroxide solution and at the other end to the oxidant line 500 A heat exchanger 200 for discharging water vapor and oxygen decomposed from an aqueous hydrogen peroxide solution;
A fuel line 400 to which fuel required for the reforming reaction is transferred and an oxidizer line 500 for transferring steam and oxygen from the heat exchanger 200 are connected to one end of the reactor 100,
Wherein the concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution flowing into the heat exchanger (200) is controlled so that autothermal reforming reaction occurs in the catalyst layer (110) according to the type of fuel flowing into the reactor (100) Autothermal reforming reactor for batteries.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환기(200)에서는 상기 반응기(100)로부터 유입되는 반응가스의 열이 상기 과산화수소 라인(210)을 통해 상기 열교환기로 유입된 과산화수소 수용액으로 전달되어 수증기와 산소로 분해되는 것을 특징으로 하는 과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기.
The method according to claim 1,
In the heat exchanger 200, the heat of the reaction gas introduced from the reactor 100 is transferred to the aqueous hydrogen peroxide solution, which is introduced into the heat exchanger through the hydrogen peroxide line 210, and is decomposed into steam and oxygen. Autothermal Reforming Reactor for Fuel Cells.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환기(200)는 분리가 가능한 형태로 결합됨을 특징으로 하는 과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기.
The method according to claim 1,
Wherein the heat exchanger (200) is coupled in a separable form.
제 1 항에 있어서,
상기 연료 라인(400) 및 상기 산화제 라인(500)의 일단에는 연료, 수증기 및 산소를 무화시켜 상기 반응기(100)에 유입하는 분무장치(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기.
The method according to claim 1,
Further comprising a spray device (600) for atomizing fuel, steam, and oxygen into one end of the fuel line (400) and the oxidizer line (500) to flow into the reactor (100) Autothermal reforming reactor for batteries.
제 4 항에 있어서,
상기 분무장치(600)은 상기 연료 라인(400)에서 통해 공급된 연료 및 상기 산화제 라인(500)을 통해 공급된 수증기와 산소를 혼합시켜, 상기 반응기(100) 내부에 구비된 촉매층과 접촉하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 수용액을 이용한 연료전지용 자열개질 반응기.
5. The method of claim 4,
The atomizing device 600 mixes the fuel supplied through the fuel line 400 and the steam and oxygen supplied through the oxidant line 500 to make contact with the catalyst layer provided in the reactor 100 Characterized in that the autothermal reforming reactor for fuel cells employing aqueous hydrogen peroxide solution.
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