KR20180009836A - 촉매 반응 효율이 우수한 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 촉매가 충진되어 개질반응에 의해 탄화수소계 원료 및 수증기로 부터 CO, CO2, H2, H2O를 포함하는 혼합가스를 생성시키는 증기개질 반응부, 연료가스 및 공기의 연소반응에 의하여 고온의 가스를 발생시키는 중앙 연소부 및 고온의 가스를 상기 증기개질 반응부에 반응열을 전달하는 열원 공급부를 포함하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 관한 것으로, 연료가스 및 공기를 중앙 연소부에 공급하는 연료가스 공급부 및 증기개질 반응부와 연통되며, 혼합가스로부터 고순도 수소를 생성하도록 내부에 촉매가 충진된 물-가스전이(water gas shift. WGS) 반응부를 더 포함하되, 연료가스 공급부가 물-가스전이 반응부의 일부와 접하도록 설치되어 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 연료가스 및 공기를 예열하는 촉매 반응 효율이 우수한 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 연료가스 공급부가 물-가스전이 반응부와 접하도록 설치되어 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 연료가스 및 공기를 예열하는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있는 우수한 장점을 가진다.

Description

촉매 반응 효율이 우수한 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기{Fuel Processor for PEMFC with excellent reaction efficiency}
본 발명은 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 관한 것으로서, 상세하게는 연료가스 공급부가 물-가스전이 반응부와 접하도록 설치되어 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 연소용 연료가스 및 공기를 예열하는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있고, 물-가스 전이 반응부와 기존의 1차원적 열원 공급 양상을 가지는 증기 개질반응부의 반응열 공급 양상을 향상하기 위하여 2차원적으로 열원 공급이 가능한 추가 열원 공급부를 더 포함하여 촉매 반응 효율이 우수한 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 관한 것이다.
탄화수소 수증기 개질은 수소생산방법 중 가장 염가의 방법으로 여겨지고 있으며, 이 방법으로 세계 총 수소생산의 거의 절반이 생산되고 있다. 이러한 탄화수소 수증기 개질방법은 메탄을 주성분으로 하는 탄화수소를 수증기와 함께 촉매 존재하에 반응시켜 수소를 얻는 것으로서, 이때 진행되는 반응은 주반응인 개질반응과 부반응인 수성가스 전이반응 2가지이며 반응식은 아래와 같다.
반응식 1
CH4 + H2O → CO + 3H2 ΔH = +497kcal/mol
CO + H2O → CO2 + H2 ΔH = -10kcal/mol
상기 반응식 1에서 보는 바와 같이 수소는 메탄과 물 모두에서 분리되어 생산되기 때문에 높은 수소 생산수율이 가능하다. 그러나 상기 개질반응은 강한 흡열반응이며 고온 및 저압 조건에 의하여 정반응의 진행이 유리하므로, 대부분 수증기와 메탄을 700∼1,100℃의 촉매반응기에서 0∼40bar의 압력하에서 공간속도 3,000∼50,000hr-1정도로 공급하면서 반응시켜 수소를 얻고 있다. 반면에 전이반응은 온화한 발열반응으로서 저온이 유리하며 압력은 거의 영향을 미치지 않는다.
상기한 바와 같이 수증기 개질반응은 많은 반응열을 공급해야 하는 흡열반응이므로 촉매에 반응열이 효율적으로 공급되면 단위 촉매당 반응활성이 늘어나 반응기의 크기를 줄일 수 있음은 물론 수율을 높일 수 있게 된다.
도 1a는 종래의 촉매반응기의 측단면도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A 단면도이다. 펠릿형 촉매를 이용하는 일반적인 수증기 개질에 사용되는 공정은 관형반응기에 펠릿 형태의 촉매를 충전한 다음 관 외부로 연료의 연소에 의해 발생되는 고온의 배기가스를 공급하여 관내부의 펠릿이 반응에 필요한 열을 공급받도록 한 구조를 갖는다. 즉, 탄화수소 수증기 개질에 사용되는 반응기는 탄화수소와 수증기가 공급되어 내부에 충전된 촉매와의 접촉에 의해 탄화수소 수증기 개질반응이 일어나는 반응부와, 상기 반응부에 고온의 반응열을 전달하는 연도부로 이루어진다.
이러한 반응기에 충전되는 펠릿형 촉매는 제조단가가 매우 낮은 이점은 있으나, 연도부를 통과하는 배기가스에서 반응열로 공급되는 비율이 매우 적다는 문제점을 가지고 있다.
또한, 위와 같이 탄화수소 수증기 개질반응으로 수소를 생성하고 다음 단계로 물-가스 전이(water gas shift, WGS) 반응을 진행한다. 촉매 하에서 일산화탄소와 물이 반응해서 일산화탄소를 제거하고 수소의 순도를 높이는 반응이다. WGS 반응을 한 단계로만 했을 경우는 일산화탄소의 전환율이 낮은 단점이 있어 HTS(high temperature shift)와 LTS(low temperature shift)의 두 과정으로 구성될 수 있다. 그러나 이로 인해 중간에 냉각기가 들어가서 장치가 커지고, 에너지 소비가 커지게 되는 단점을 가진다.
이에 따라, 탄화수소 수증기 개질반응에서 열 효율이 우수한 동시에 물-가스 전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
1. 한국등록특허 제10-1066970호
본 발명은 상기와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 연료가스 공급부가 물-가스전이 반응부의 일부와 접하도록 설치되어, 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 연소용 연료가스 및 공기를 예열할 수 있는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 증기개질 반응부에 접하여 배치된 추가 열원공급부가 하나 이상의 구획판을 구비하여 고온의 가스가 체류하는 시간을 증가시켜 증기개질 반응부에 충분한 열을 전달해주어 우수한 촉매 반응 효율을 가지는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
더불어, HTS 반응기 및 LTS 반응기 사이에 병목 현상을 유도하여 충분한 냉각 효과로 높은 개질 반응 효율을 가지는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 촉매가 충진되어 개질반응에 의해 탄화수소계 원료 및 수증기로 부터 CO, CO2, H2, H2O를 포함하는 혼합가스를 생성시키는 증기개질 반응부, 연료가스 및 공기의 연소반응에 의하여 고온의 가스를 발생시키는 중앙 연소부 및 상기 고온의 가스를 상기 증기개질 반응부에 반응열을 전달하는 열원 공급부를 포함하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기로서, 상기 연료가스 및 공기를 상기 중앙 연소부에 공급하는 연료가스 공급부; 및 상기 증기개질 반응부와 연통되며, 상기 혼합가스로부터 고순도 수소를 생성하도록 내부에 촉매가 충진된 물-가스전이(water gas shift. WGS) 반응부를 더 포함하되, 상기 연료가스 공급부가 상기 물-가스전이 반응부의 일부와 접하도록 설치되어 상기 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 상기 연료가스 및 공기를 예열할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 내측관 및 외측관으로 이루어진 이중원통형 구조로 설치되어, 상기 증기개질 반응부는 상기 내측관 및 외측관 사이에 형성된 상기 유로의 일부에 촉매가 충진되고, 상기 중앙 연소부는 상기 내측관 하단에 위치하여 고온의 가스를 발생시키고, 상기 열원 공급부는 상기 고온의 가스가 상기 내측관의 상부로 이동하면서 상기 증기개질 반응부에 반응열을 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 이중원통형 구조의 직경 보다 큰 직경을 가지는 제2 내측관 및 제2 외측관으로 이루어지고, 상기 이중원통형 구조와 동심원을 가지며 설치되는 제2 이중원통형 구조 및 상기 이중원통형 구조 및 제2 이중원통형 구조 사이에 설치되어 상기 열원 공급부의 열원을 차단하는 단열재를 더 포함하되, 상기 제2 내측관 및 제2 외측관 사이에 형성된 유로를 구비하여, 상기 유로가 세로로 배치된 구획판에 의해 구획되고, 상기 연료가스 공급부와 상기 물-가스전이 반응부가 상기 구획된 유로에 순차적으로 반복하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 물-가스전이 반응부는, 상기 증기개질 반응부에서 생성된 혼합 가스 중 CO 가스를 1차 감소시키면서 CO2, H2 가스를 생성시키는 HTS(High Temperature Shift, 고온전이) 반응기 및 상기 HTS 반응기와 연통되고, CO 가스를 2차 감소시키면서 CO2, H2 가스를 추가로 생성시키는 LTS(LTS: Low Temperature Shift, 저온전이) 반응기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 증기개질 반응부의 반응온도는 600∼900℃이고, 상기 HTS 반응기의 반응온도는 400℃ 내지 500℃이고, 상기 LTS 반응기의 반응온도는 200℃ 내지 300℃일 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 HTS 반응기 및 상기 LTS 반응기 사이에 상기 물-가스전이 반응부에서 방사열을 흡수하도록 금속 망으로 구획된 열 흡수부를 더 포함하되, 상기 열 흡수부의 단면적이 상기 HTS 반응기 및 상기 LTS 반응기의 단면적보다 작은 구간을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 연료가스 공급부는 유로분할 수단을 포함하여 상기 연료가스 공급부의 유로를 분할하여 저항을 부여한 뒤 재결합할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 유로분할 수단은 마름모, 원형, 사각형 등의 형태로 유로의 중앙을 차단하되, 상기 연료가스 공급부의 유로는 일정한 단면적을 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 이중원통형 구조의 상부면에 접하여 배치되고, 상기 요철 형태의 액체공급 방지턱을 포함하여, 주입된 탄화수소계 액체 원료의 일부 또는 전부가 상기 열원 공급부의 열원에 의하여 기화되어 상기 증기개질 반응부에 공급하는 원료 공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 내측관을 통과하면서 고온의 가스가 상기 증기개질 반응부에 전달하고 남은 잔열을 추가적으로 전달하는 추가 열원 공급부를 더 포함하되, 상기 내측관 및 외측관 사이에 형성된 상기 유로가 세로로 배치된 구획판에 의해 구획되고, 상기 추가 열원 공급부와 상기 증기개질 반응부가 상기 구획된 유로에 순차적으로 반복하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 추가 열원 공급부는, 하나 이상의 구획판을 구비하여 고온의 가스가 체류하는 시간을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 연료가스 공급부가 물-가스전이 반응부의 일부와 접하도록 설치되어 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 연료가스 및 공기를 예열하는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있는 장점을 가진다.
또한, 증기개질 반응부에 접하여 배치된 추가 열원공급부가 하나 이상의 구획판을 구비하여 고온의 가스가 체류하는 시간을 증가시켜 증기개질 반응부에 충분한 열을 전달해주어 우수한 촉매 반응 효율을 가질 수 있다.
또한, HTS 반응기 및 LTS 반응기 사이에 병목 현상을 유도하여 충분한 냉각 효과로 높은 개질 반응 효율을 얻을 수 있다.
도 1a는 종래의 촉매반응기의 측단면도이다.
도 1b는 도 1a의 A-A 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기의 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 탄화수소계 원료 및 수증기가 공급되어 고순도의 수소를 생성하는 흐름을 표시한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 연료가스 및 공기가 공급되어 고온의 가스를 발생시키고 증기개질 반응부에 반응열을 전달하는 흐름을 표시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기의 연료가스 공급부 및 물-가스전이 반응부를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원료 공급부의 액체공급 방지턱을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기의 사시도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기의 단면도이다. 본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 증기개질 반응부(100), 중앙 연소부(200) 및 열원 공급부(300)를 포함한다.
본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 내측관(10) 및 외측관(20)으로 이루어진 이중원통형 구조(10, 20)로 설치되고, 상기 내측관(10) 및 외측관(20) 사이에 형성된 유로를 구비할 수 있으며, 상기 증기개질 반응부(100)는 상기 유로의 일부에 촉매가 충진되어 개질반응에 의해 탄화수소계 원료 및 수증기로 부터 CO, CO2, H2, H2O를 포함하는 혼합가스를 생성시킬 수 있다.
상기 중앙 연소부(200)는 상기 내측관 하단에 위치하고, CH4 등의 연료가스 및 공기의 연소반응에 의하여 고온의 가스를 발생시킬 수 있고, 상기 열원 공급부(300)는 상기 고온의 가스가 상기 내측관의 상부로 이동하면서 상기 증기개질 반응부(100)에 반응열을 전달할 수 있다.
더불어, 본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 연료가스 공급부(600) 및 물-가스전이(water gas shift. WGS) 반응부(700)를 더 포함할 수 있다. 상기 연료가스 공급부(600)는 상기 연료가스 및 공기를 상기 중앙 연소부(200);에 공급하고, 상기 물-가스전이 반응부(700)는 상기 증기개질 반응부(100)와 연통되며, 상기 혼합가스로부터 고순도 수소를 생성하도록 내부에 촉매가 충진될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 상기 연료가스 공급부(600)가 상기 물-가스전이 반응부(700)의 일부와 접하도록 설치되어 상기 물-가스전이 반응부(700)의 방사열을 흡수하여 상기 연료가스 및 공기를 예열하는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있는 장점을 가진다.
본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 제2 이중원통형 구조(30, 40) 및 단열재(50)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 이중원통형 구조(30, 40)는 상기 이중원통형 구조(10, 20)의 직경 보다 큰 직경을 가지는 제2 내측관(30) 및 제2 외측관(40)으로 이루어지고, 상기 이중원통형 구조(10, 20)와 동심원을 가지며 설치될 수 있으며, 사익 단열재(50)는 상기 이중원통형 구조(10, 20) 및 제2 이중원통형 구조(30, 40) 사이에 설치되어 상기 열원 공급부의 열원을 차단할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 탄화수소계 원료 및 수증기가 공급되어 고순도의 수소를 생성하는 흐름을 표시한 도면이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 연료가스 및 공기가 공급되어 고온의 가스를 발생시키고 증기개질 반응부에 반응열을 전달하는 흐름을 표시한 도면이다.
도 3과 같이, 연료가스 공급부(600)에 공기와 연료가스(CH4)가 튜브를 통해 주입되고 유로를 따라 상단에서 하단으로 흐를 수 있다. 이때, 물-가스전이 반응부(700)의 HTS 반응기(710) 및 LTS 반응기(720)에서 나오는 방사열을 연료가스 공급부(600)의 유로를 통하는 공기와 연료가스(CH4)가 흡수할 수 있도록 접하여 설치된다.
상기 제2 내측관(30) 및 제2 외측관(40) 사이에 형성된 유로를 구비하여, 상기 유로가 세로로 배치된 구획판에 의해 구획되고, 상기 연료가스 공급부(600)와 상기 물-가스전이 반응부(700)가 상기 구획된 유로에 순차적으로 반복하여 배치될 수 있다.
상기 물-가스전이 반응부(700)는, HTS(High Temperature Shift, 고온전이) 반응기(710) 및 LTS(LTS: Low Temperature Shift, 저온전이) 반응기(720)를 포함한다. 상기 HTS 반응기(710)는 상기 증기개질 반응부(100)에서 생성된 혼합 가스 중 CO 가스를 1차 감소시키면서 CO2, H2 가스를 생성시킬 수 있고. 상기 LTS 반응기(720)는 상기 HTS 반응기(710)와 연통되고, CO 가스를 2차 감소시키면서 CO2, H2 가스를 추가로 생성시킬 수 있다.
상기 증기개질 반응부(100)의 반응온도는 600∼900℃이고, 상기 HTS 반응기(710)의 반응온도는 400℃ 내지 500℃이고, 상기 LTS 반응기(720)의 반응온도는 200℃ 내지 300℃일 수 있다. WGS 반응을 한 단계로만 했을 경우는 일산화탄소의 전환율이 낮은 단점이 있어 HTS(high temperature shift)와 LTS(low temperature shift)의 두 과정으로 구성될 수 있다. 그러나 이로 인해 중간에 냉각기가 들어가서 장치가 커지고, 에너지 소비가 커지게 되는 단점을 가진다.
그러나 본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 상기 연료가스 공급부(600)가 상기 물-가스전이 반응부(700)의 일부와 접하도록 설치되어 상기 물-가스전이 반응부(700)의 방사열을 흡수하여 상기 연료가스 및 공기를 예열하는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 절감할 수 있는 장점을 가진다.
더불어, 도 4와 같이, 병목구간을 통해서 추가의 열교환기 장비 없이 열의 흐름을 변경하여 냉각효과를 부여할 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기의 연료가스 공급부 및 물-가스전이 반응부를 나타낸 도면이다. 상기 HTS 반응기(710) 및 상기 LTS 반응기(720) 사이에 상기 물-가스전이 반응부(700)에서 방사열을 흡수하도록 금속 망(731)으로 구획된 열 흡수부(730)를 더 포함할 수 있으며, 상기 열 흡수부(730)의 단면적이 상기 HTS 반응기(710) 및 상기 LTS 반응기(720)의 단면적보다 작은 구간을 포함할 수 있다.
상기 HTS 반응기(710) 및 상기 LTS 반응기(720) 층을 나누고 상기 HTS 반응기(710) 및 상기 LTS 반응기(720)의 사이 부분이 모래시계 형태로 단면적이 좁아들게 설계하여 병목현상이 생기도록 한다. HTS 알갱이들 사이를 비집고 지나온 가스들은 금속 망(731)을 통과하고 병목구간에 도달하게 된다. 이후, 가스들은 ⓑ구간에 모이게 되고 정체 구간인 ⓑ구간을 통과하여 ⓒ구간으로 나아갈 때 빠르게 퍼져나가게 된다. 이때의 병목현상을 통해 450℃에서 250℃ 정도로 내려가는 냉각효과를 볼 수 있고, 이렇게 빠르게 퍼져나간 가스들은 LTS 알갱이들 사이로 촘촘하게 들어가게 되고 이를 통과하며 냉각효과가 더 커질 수 있다.
또한 도 4와 같이, 상기 연료가스 공급부(600)는 유로분할 수단(610)을 포함하여 상기 연료가스 공급부의 유로를 분할하여 저항을 부여한 뒤 재결합할 수 있으며, 상기 유로분할 수단(610)은 마름모, 원형, 사각형 등의 형태로 유로의 중앙을 차단하되, 상기 연료가스 공급부(600)의 유로는 일정한 단면적을 유지할 수 있다.
공기와 연료가스(CH4)가 흐르는 연료가스 공급부(600) 유로의 중앙에 유로분할 수단(610)이 설치되어, 유로가 나뉘게 되며 온도 변화가 생기도록 유도할 수 있다. ⓐ지점에서 가스들이 충돌하며 상기 HTS 반응기(710) 및 LTS 반응기(720)의 열을 더 흡수하게 되고 유로분할 수단(610)이 끝나는 지점에서 공기와 연료가스(CH4)가 다시 섞이며 완벽한 혼합을 하도록 유도함과 동시에 중앙 연소부(200)로 들어가기 전 많은 열을 흡수 할 수 있도록 하여 중앙 연소부(200)의 예열이 필요 없이 높은 온도로 바로 연소할 수 있으며, 많은 량의 연료 없이도 충분한 연소를 할 수 있다. 또한, 상기 유로분할 수단(610)은 마름모, 원형, 사각형 등의 다양한 형태로 설치되어 유로를 분할할 수 있다.
본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 원료 공급부(400)를 더 포함할 수 있다. 상기 원료 공급부(400)은 상기 이중원통형 구조(10, 20)의 상부면에 접하여 배치되고, 상기 요철 형태의 액체공급 방지턱(410)을 포함하여, 주입된 탄화수소계 원료 및 물의 일부 또는 전부가 상기 열원 공급부(300)의 열원에 의하여 기화되어 상기 증기개질 반응부에 공급할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원료 공급부의 액체공급 방지턱을 나타낸 도면이다. 증기개질 반응부(100)에서 촉매의 반응을 유도하기 위하여 원료 공급부(400)로 연결되어 있는 튜브를 통해 탄화수소계 원료 및 물이 공급된다. 도 2 및 5와 같이, 원료 공급부(400) 내부의 구간을 나누기 위해 액체공급 방지턱(410)이 설치될 수 있다. 액체공급 방지턱(410)은 탄화수소계 원료 및 물이 Section 1에 채워진 뒤 Section 2로 넘어 흐를 수 있도록 한다. 이는 상기 중앙 연소부(200)에서 나온 열을 탄화수소계 원료 및 수증기가 충분히 흡수하고 기화되어 수증기 개질을 유도할 수 있다. 또한, 팽창구간(420)을 설치하여 열로 인해 탄화수소계 원료 및 수증기가 기화되어 부피가 팽창하더라도 유로가 막히지 않고 잘 흐르도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 추가 열원 공급부(500)를 더 포함할 수 있다. 상기 추가 열원 공급부(500)는 상기 내측관(10)을 통과하면서 고온의 가스가 상기 증기개질 반응부(100)에 전달하고 남은 잔열을 추가적으로 전달할 수 있다. 상기 유로가 세로로 배치된 구획판에 의해 구획되고, 상기 추가 열원 공급부(500)와 상기 증기개질 반응부(100)가 상기 구획된 유로에 순차적으로 반복하여 배치될 수 있다.
특히, 상기 추가 열원 공급부(500)는 하나 이상의 구획판(510)을 구비하여 고온의 가스가 체류하는 시간을 증가시킬 수 있다. 물-가스전이 반응부(700)의 방사열을 흡수하여 연료가스 공급부(600)에서 예열 되어진 공기와 연료가스(CH4)는 중앙 연소부(200) 구간으로 유입되고 추가의 예열 없이 바로 연소되어 진다. 이때 연소 되어진 열원들은 열원 공급부(300) 상층부 통로를 통해 추가 열원 공급부(500)로 흐를 수 있다. 유로 중간에 세로로 배치된 구획판(510)를 두어 위에서 아래로, 아래에서 위로 즉, 열 순환을 두 번 일으키는 순환 구조일 수 있으며, 다수의 구획판이 가로로 설치되어 지그재그 형태로 열 순환할 수도 있다. 상기 추가 열원 공급부(500)를 통해 양 옆에 배치된 증기개질 반응부(100)의 촉매에 충분한 열을 전달해주어 반응 온도를 적정 수준까지 올릴 수 있다. 이를 통해 중앙 연소부(200)의 열 손실을 줄이고 열 효율을 극대화할 수 있으며, 증기개질 반응부(100) 촉매 층 온도를 높여 높은 개질 반응 효율을 얻을 수 있다.
위와 같이, 본 발명에 따른 촉매 반응 효율이 우수한 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 연료가스 공급부가 물-가스전이 반응부의 일부와 접하도록 설치되어, 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 연료가스 및 공기를 예열할 수 있는 동시에 물-가스전이 반응에서의 에너지 소비를 줄일 수 있다.
또한, 증기개질 반응부에 접하여 배치된 추가 열원공급부가 하나 이상의 구획판을 구비하여 고온의 가스가 체류하는 시간을 증가시켜 증기개질 반응부에 충분한 열을 전달해주어 우수한 촉매 반응 효율을 가질 수 있으며, HTS 반응기 및 LTS 반응기 사이에 병목 현상을 유도하여 충분한 냉각 효과로 높은 개질 반응 효율을 가지는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기를 제공할 수 있다.
이상에서는 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 내측관 20: 외측관
30: 제2 내측관 40: 제2 외측관
50: 단열재 100: 증기개질 반응부
200: 중앙 연소부 300: 열원 공급부
400: 원료 공급부 410: 액체공급 방지턱
420: 팽창구간 500: 추가 열원 공급부
510: 구획판 600: 연료가스 공급부
610: 유로분할 수단 700: 물-가스전이 반응부
710: HTS 반응기 720: LTS 반응기
730: 열 흡수부 731: 금속 망

Claims (11)

  1. 촉매가 충진되어 개질반응에 의해 탄화수소계 원료 및 수증기로 부터 CO, CO2, H2, H2O를 포함하는 혼합가스를 생성시키는 증기개질 반응부, 연료가스 및 공기의 연소반응에 의하여 고온의 가스를 발생시키는 중앙 연소부 및 상기 고온의 가스를 상기 증기개질 반응부에 반응열을 전달하는 열원 공급부를 포함하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기에 있어서,
    상기 연료가스 및 공기를 상기 중앙 연소부에 공급하는 연료가스 공급부; 및
    상기 증기개질 반응부와 연통되며, 상기 혼합가스로부터 고순도 수소를 생성하도록 내부에 촉매가 충진된 물-가스전이(water gas shift. WGS) 반응부를 더 포함하되, 상기 연료가스 공급부가 상기 물-가스전이 반응부의 일부와 접하도록 설치되어 상기 물-가스전이 반응부의 방사열을 흡수하여 상기 연료가스 및 공기를 예열하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기는 내측관 및 외측관으로 이루어진 이중원통형 구조로 설치되어,
    상기 증기개질 반응부는 상기 내측관 및 외측관 사이에 형성된 상기 유로의 일부에 촉매가 충진되고, 상기 중앙 연소부는 상기 내측관 하단에 위치하여 고온의 가스를 발생시키고, 상기 열원 공급부는 상기 고온의 가스가 상기 내측관의 상부로 이동하면서 상기 증기개질 반응부에 반응열을 전달하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이중원통형 구조의 직경 보다 큰 직경을 가지는 제2 내측관 및 제2 외측관으로 이루어지고, 상기 이중원통형 구조와 동심원을 가지며 설치되는 제2 이중원통형 구조; 및
    상기 이중원통형 구조 및 제2 이중원통형 구조 사이에 설치되어 상기 열원 공급부의 열원을 차단하는 단열재를 더 포함하되,
    상기 제2 내측관 및 제2 외측관 사이에 형성된 유로를 구비하여, 상기 유로가 세로로 배치된 구획판에 의해 구획되고, 상기 연료가스 공급부와 상기 물-가스전이 반응부가 상기 구획된 유로에 순차적으로 반복하여 배치되는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 물-가스전이 반응부는,
    상기 증기개질 반응부에서 생성된 혼합 가스 중 CO 가스를 1차 감소시키면서 CO2, H2 가스를 생성시키는 HTS(High Temperature Shift, 고온전이) 반응기; 및
    상기 HTS 반응기와 연통되고, CO 가스를 2차 감소시키면서 CO2, H2 가스를 추가로 생성시키는 LTS(LTS: Low Temperature Shift, 저온전이) 반응기를 포함하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 증기개질 반응부의 반응온도는 600∼900℃이고, 상기 HTS 반응기의 반응온도는 400℃ 내지 500℃이고, 상기 LTS 반응기의 반응온도는 200℃ 내지 300℃인 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 HTS 반응기 및 상기 LTS 반응기 사이에 상기 물-가스전이 반응부에서 방사열을 흡수하도록 금속 망으로 구획된 열 흡수부를 더 포함하되,
    상기 열 흡수부의 단면적이 상기 HTS 반응기 및 상기 LTS 반응기의 단면적보다 작은 구간을 포함하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료가스 공급부는 유로분할 수단을 포함하여 상기 연료가스 공급부의 유로를 분할하여 저항을 부여한 뒤 재결합하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유로분할 수단은 마름모, 원형, 사각형 등의 형태로 유로의 중앙을 차단하되, 상기 연료가스 공급부의 유로는 일정한 단면적을 유지하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 이중원통형 구조의 상부면에 접하여 배치되고, 상기 요철 형태의 액체공급 방지턱을 포함하여, 주입된 탄화수소계 원료 및 물의 일부 또는 전부가 상기 열원 공급부의 열원에 의하여 기화되어 상기 증기개질 반응부에 공급하는 원료 공급부를 더 포함하는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 내측관을 통과하면서 고온의 가스가 상기 증기개질 반응부에 전달하고 남은 잔열을 추가적으로 전달하는 추가 열원 공급부를 더 포함하되,
    상기 내측관 및 외측관 사이에 형성된 상기 유로가 세로로 배치된 구획판에 의해 구획되고, 상기 추가 열원 공급부와 상기 증기개질 반응부가 상기 구획된 유로에 순차적으로 반복하여 배치되는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 추가 열원 공급부는,
    하나 이상의 구획판을 구비하여 고온의 가스가 체류하는 시간을 증가시키는 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기.
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