KR20190111374A - 고체산화물 연료전지의 연료개질장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지의 연료개질장치에 관한 것으로, 바이패스관이 관통되어 삽입되고, 연료와 연소공기가 주입되는 연료부와, 관 형태로 형성되어 일단이 상기 연료부에 결합되고, 상기 바이패스관이 중앙에 관통되며, 외면에 점화기와 연결되는 점화관이 형성되어 상기 연료를 연소시키는 점화부와, 원통 형태로 형성되어 상기 점화부의 타단과 결합되고, 상기 바이패스관이 관통되며, 내부에 유로관이 형성되고 외면에 반응기체 배출관이 형성되는 개질반응부와, 원통 형태로 형성되어 상기 개질반응부의 내측에 결합되고, 상기 바이패스관이 관통되며, 상기 개질반응부와 연결되어 원료를 제공하는 원료주입부를 포함하고, 본 발명은 바이패스 공기를 주입할 수 있는 바이패스관을 구비함으로써, 내부 온도를 조절하여 촉매의 반응 효율을 높이는 효과가 있다.
또한, 촉매출입관을 구비함으로써, 일정시간 사용 후에 촉매의 교체가 가능하여 개질반응의 효율을 유지시키는 효과가 있다.

Description

고체산화물 연료전지의 연료개질장치{The reformer of SOFC}
본 발명은 고체산화물 연료전지의 연료개질장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 바이패스관을 구비하여 내부 온도 조절이 용이한 고체산화물 연료전지의 연료개질장치에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 수소를 연료로 공기와 산화시켜 직접 전기를 생산하고, 물을 배출하는 에너지 기술 분야 중 하나이다.
여기에서, 연료전지는 사용가능한 고농도의 수소연료 또는 수소 및 CO 혼합가스로 전환시키는 연료개질장치(reformer)가 필요하다.
또한, 연료개질에 있어서 탄화수소 수증기 개질은 수소 생산 방법 중 가장 염가의 방법이며, 탄화수소 수증기 개질은 메탄을 주성분으로 하는 탄화수소를 수증기와 함께 촉매 하에 반응시켜 수소를 얻는 방법이다. 이때 진행되는 반응은 주반응인 개질반응과 부반응인 수성가스 전이반응 2가지이며 하기의 식과 같다.
[수학식 1]
CH4 + H2O → CO +3H2 △H = +497kcal/mol
CO + H2O → CO2 + H2 △H = -10kcal/mol
상기 수학식 1과 같이 수소는 메탄과 물 모두에서 분리되어 생산되기 때문에 높은 수소 생산수율이 가능하다. 그러나 상기 개질반응은 강한 흡열반응이며 고온 및 저압 조건이 정반응의 진행에 유리하므로 대부분 수증기와 메탄을 700 내지 1100℃의 개질반응으로 반응시켜 수소를 얻고 있다.
여기에서, 효과적인 반응열을 공급하기 위한 연료개질장치의 내부의 온도 조절은 개질반응에 중요한 요소이다.
또한, 개질반응의 효율을 증가시키기 위한 촉매의 성능은 중요한 요소인데, 종래의 개질장치는 촉매의 교체가 불가능하여 시간이 지날수록 개질반응의 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.
1. 대한민국 등록특허 제10-1452069호(2014.10.10. 등록) 2. 대한민국 공개특허 제10-2007-0027968호(2007.03.12. 공개)
본 발명은 바이패스 공기를 주입할 수 있는 바이패스관을 구비함으로써, 내부 온도를 조절할 수 있는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치를 제공하고자 한다.
또한, 촉매출입관을 구비함으로써, 촉매를 교체할 수 있는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 바이패스관이 관통되어 삽입되고, 연료와 연소공기가 주입되는 연료부와, 관 형태로 형성되어 일단이 상기 연료부에 결합되고, 상기 바이패스관이 중앙에 관통되며, 외면에 점화기와 연결되는 점화관이 형성되어 상기 연료를 연소시키는 점화부와, 원통 형태로 형성되어 상기 점화부의 타단과 결합되고, 상기 바이패스관이 관통되며, 내부에 유로관이 형성되고 외면에 반응기체 배출관이 형성되는 개질반응부와, 원통 형태로 형성되어 상기 개질반응부의 내측에 결합되고, 상기 바이패스관이 관통되며, 상기 개질반응부와 연결되어 원료를 제공하는 원료주입부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 개질반응부는, 상기 외면에 온도감지기와 결합되는 온도감지관이 형성될 수 있다.
또한, 상기 바이패스관은, 바이패스 공기가 배출되는 영역의 외면에 복수개의 바이패스홀이 형성될 수 있다.
또한, 상기 연료부는, 상기 바이패스관의 외면을 감싸도록 형성되는 연료주입관과, 상기 연료주입관의 외면을 감싸도록 형성되는 연소공기주입관과, 상기 연소공기주입관의 일측 외면을 둘러싸는 제 1 플렌지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 점화부는, 상기 제 1 플렌지와 대응되는 위치에 제 2 플렌지가 구비될 수 있다.
또한, 상기 개질반응부는, 상기 유로관의 내측에 촉매가 구비되고, 일측면에 상기 유로관에 연결되어 상기 촉매가 상기 유로관의 내외로 이동되는 복수개의 촉매출입관이 형성될 수 있다.
또한, 상기 원료주입부는, 일측면에 구비되어 상기 원료가 주입되는 원료주입관과, 상기 원료주입관 및 유로관에 연결되어 상기 원료를 상기 개질반응부로 이동시키는 원료이동관을 포함할 수 있다.
본 발명은 바이패스 공기를 주입할 수 있는 바이패스관을 구비함으로써, 내부 온도를 조절하여 촉매의 반응 효율을 높이는 효과가 있다.
또한, 촉매출입관을 구비함으로써, 일정시간 사용 후에 촉매의 교체가 가능하여 개질반응의 효율을 유지시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 결합된 상태를 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 분해된 상태를 나타낸 도면이며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 결합된 상태의 단면을 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 연료부의 단면을 나타낸 도면이며
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 점화부, 개질반응부 및 원료주입부의 단면을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 결합된 상태를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 분해된 상태를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 결합된 상태의 단면을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 연료부의 단면을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 점화부, 개질반응부 및 원료주입부의 단면을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치는 연료부(100), 점화부(200), 개질반응부(300), 원료주입부(400) 등을 포함할 수 있다.
연료부(100)는 중앙에 바이패스관(110)이 관통되어 삽입되고, 바이패스관(110)의 바이패스 공기가 유입되는 영역의 외면을 감싸도록 연료주입관(120)이 형성되고, 연료주입관(120)의 외면을 감싸도록 연소공기주입관(130)이 형성될 수 있다.
또한, 연료부(100)는 연소공기주입관(130)의 일측 외면을 둘러싸는 제 1 플렌지(140)를 포함할 수 있다.
바이패스관(110)은 바이패스 공기가 배출되는 영역의 외면에 복수개의 바이패스홀(111)이 형성되고, 바이패스 공기를 공급할 수 있다.
여기에서, 점화부(200) 및 후술할 연소가스이동홀(350)을 통과하면서 연소된 연료 가스와 주입된 연소공기가 바이패스홀(111)을 통해 바이패스관(110)에 유입되어 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 외부로 배출되도록 할 수 있다.
또한, 바이패스관(110)은 점화부(200), 개질반응부(300), 원료주입부(400)의 중앙을 관통하도록 구비되어 바이패스관(110)의 내부에 바이패스 공기가 공급되어 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 전체적인 내부 온도를 조절할 수 있다.
더욱 자세하게는, 점화부(200)에서 가열된 공기는 1300℃ 내외이고, 가열된 연소 공기는 개질반응부(300)에 열을 공급하게 되는데, 바이패스관(110)의 내부에 바이패스 공기가 공급되면 점화부(200)에서 가열된 연소 공기를 개질반응부(300)의 연소가스이동홀(350)에서 800℃ 내외의 온도로 감소시킬 수 있으며, 이로 인하여 개질반응부(300) 내에 구비되는 촉매(X)가 타지 않고 개질반응이 효율적으로 일어날 수 있다.
연료주입관(120)은 바이패스 공기가 유입되는 방향으로 일면에 연료주입구(121)가 형성되고, 내부에 복수개의 제 1 격벽(122)이 형성되며, 각각의 제 1 격벽(122)에는 복수개의 제 1 격벽홀(123)이 형성됨으로써, 주입된 연료가 연료주입관(120)의 내부에서 균일하게 분배되어 이동되고, 점화부(200)에서 연료의 연소 시에 점화부(200)의 내부온도가 전체적으로 균일하게 나타나도록 할 수 있다.
연소공기주입관(130)은 바이패스 공기가 유입되는 방향으로 일면에 연소공기주입구(131)가 형성되고, 내부에 복수개의 제 2 격벽(132)이 형성되며, 각각의 제 2 격벽(132)에는 복수개의 제 2 격벽홀(133)이 형성됨으로써, 주입된 연소공기가 연소공기주입관(130)의 내부에서 균일하게 분배되어 이동되고, 점화부(200)에서 연료의 연소 시에 점화부(200)의 내부온도가 전체적으로 균일하게 나타나도록 할 수 있다.
점화부(200)는 관 형태로 형성되어 일단이 연료부(100)에 결합되고, 바이패스관(110)이 중앙 관통되며, 외면에 점화기와 연결되는 점화관(210)이 형성되어 연료를 연소시킬 수 있다.
또한, 점화부(200)는 제 1 플렌지(140)와 대응되는 위치에 제 2 플렌지(220)가 구비될 수 있다.
여기에서, 점화부(200)는 1300℃의 고온을 발생시키기 때문에, 내부에 손상이 다른 구성요소에 비하여 수명이 짧을 수 있으며, 종래의 일체형의 고체산화물 연료전지의 연료개질장치인 경우에는 점화부(200)의 수명에 따라 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 수명이 결정될 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따른 점화부(200)는 종래와는 달리 제 2 플렌지(220)를 통해 연료부(110)와 분리 또는 교체할 수 있으므로, 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 수명은 더욱 길어지는 장점이 있다.
개질반응부(300)는 원료주입부(400)에서 제공된 원료가 이동되어 개질 반응을 수행하는데, 중앙에 길이방향으로 연소가스이동홀(350)이 형성된 원통 형태로 형성되어 점화부(200)의 타단과 결합되고, 바이패스관(110)이 관통되며, 내부에 유로관(310)이 형성되고 외면에 반응기체 배출관(320)이 형성될 수 있다.
여기에서, 개질반응부(300)는 외면에 온도감지기와 결합되는 온도감지관(330)이 형성되고, 유로관(310)의 내측에 촉매(X)가 구비되고, 일측면에 유로관(310)에 연결되어 촉매(X)가 유로관(310)의 내외로 이동되는 복수개의 촉매출입관(340)이 형성될 수 있다.
유로관(310)은 내부에 복수개의 제 3 격벽(311)이 형성될 수 있으며, 각각의 제 3 격벽(311)에 제 3 격벽홀(312)이 형성됨으로써, 원료가 유로관(310)의 내부에 체류하는 시간을 증가시키고, 촉매(X)를 통과하여 개질반응이 촉진될 수 있다.
또한, 촉매(X)는 복수개의 촉매출입관(340)을 통해 유로관(310)의 내부에 균일하게 구비될 수 있고, 일정시간 사용 후에 촉매(X)의 교체가 촉매출입관(340)을 통해 가능하여 개질반응의 효율을 유지시키며, 고체산화물 연료전지의 연료개질장치의 수명을 증가시켜 공정비용을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
여기에서, 촉매(X)는 내열성 담체에 니켈이나 코발트, 백금족 원소 또는 이들의 혼합물에서 선택된 활성금속을 5 내지 12 중량 % 함유하도록 담지하여 제조될 수 있다.
예를 들면, 내열성 담체는 α-알루미나 칼슘-알루미네이트에서 선택된 것을 사용할 수 있으며 담지시 활성금속은 5 내지 12 중량 % 함유되도록 하고, 직경은 2 내지 10mm의 크기를 가질 수 있다.
그러나, 반드시 이에 한정된 것은 아니며 필요에 따라 담체와 활성금속의 함량 및 직경의 변화가 가능하다.
반응기체 배출관(320)은 고체산화물 연료전지의 음극과 연결되어 개질반응이 종료된 기체를 이동시킬 수 있다.
온도감지관(330)은 온도감지기와 결합되어 온도감지기를 통해 개질반응부(300)의 온도를 실시간으로 파악함으로써, 개질반응의 정도를 온도를 통해 파악하여 촉매를 교체할 수 있다.
연소가스이동홀(350)은 점화부(200)에서 연소된 연료 가스와 주입된 연소공기가 이동되고, 내부에 금속 모노리스를 구비하여 열교환이 원활하게 일어나도록 할 수 있다.
원료주입부(400)는 중앙에 길이방향으로 홀이 형성된 원통 형태로 형성되어 개질반응부(300)의 내측에 결합되고, 바이패스관(110)이 관통되며, 원료주입관(410), 원료이동관(420), 배출관(430) 등을 포함하여 원료를 개질반응부(300)에 제공할 수 있다.
원료주입관(410)은 원료주입부(400)는 일측면에 구비되어 원료가 주입될 수 있다.
여기에서, 원료는 물과 탄화수소 계열의 원료가 유입될 수 있다.
원료이동관(420)은 원료주입관(410) 및 유로관(310)에 연결되도록 구비되어 원료주입관(410)을 통해 주입된 원료를 유로관(310)으로 이동시킬 수 있다.
또한, 원료이동관(420)은 바이패스관(110)에 연소된 연료 가스와 주입된 연소공기가 유입되어 외부로 배출되는 바이패스관(110)의 끝단 외면에 인접하여 구비됨으로써, 원료이동관(420)을 따라 이동한 물과 탄화수소 계열의 원료는 혼합과 함께 가열이 되어 수증기와 탄화수소 가스로 변화하여 개질반응의 원료가스가 생성될 수 있다.
여기에서, 원료이동관(420)은 내측 벽에 바이패스관(110)의 끝단 외면이 전체적으로 접하도록 구비됨으로써, 원료가스 생성에 필요한 열효율을 향상시킬 수 있다.
배출관(430)은 원료이동관(420)의 내측을 따라 외부로 돌출되도록 구비됨으로써, 연소된 연료 가스와 주입된 연소공기, 바이패스 공기가 외부로 배출될 수 있다.
여기에서, 배출관(430)은 고체산화물 연료전지에 연결되어 열을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료 개질장치의 연료 개질과정은 다음과 같다.
도 1 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 원료주입관(410)으로부터 물과 탄화수소 계열의 원료가 원료이동관(420)으로 유입이 되면, 연소된 연료 가스와 주입된 연소공기가 유입된 바이패스관(110)으로부터 열을 공급받아 원료들은 수증기와 탄화수소 가스로 기화된다.
여기에서, 생성된 수증기와 탄화수소 가스는 유로관(310)의 내부로 이동하고, 유로관(310)의 내부에 위치하는 촉매(X)를 통과함으로써, 수증기와 탄화수소 가스는 개질반응이 촉진된다.
또한, 개질반응이 종료된 기체는 반응기체 배출관(320)을 통해 고체산화물 연료전지의 음극으로 이동하게 된다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
100: 연료부 110: 바이패스관
111: 바이패스홀 120: 연료주입관
121: 연료주입구 122: 제 1 격벽
123: 제 1 격벽홀 130: 연소공기주입관
131: 연소공기주입구 132: 제 2 격벽
133: 제 2 격벽홀 140: 제 1 플렌지
200: 점화부 210: 점화관
220: 제 2 플렌지 300: 개질반응부
310: 유로관 311: 제 3 격벽
312: 제 3 격벽홀 320: 반응기체 배출관
330: 온도감지관 340: 촉매출입관
350: 연소가스이동홀 400: 원료주입부
410: 원료주입관 420: 원료이동관
430: 배출관

Claims (7)

  1. 바이패스관이 관통되어 삽입되고, 연료와 연소공기가 주입되는 연료부와,
    관 형태로 형성되어 일단이 상기 연료부에 결합되고, 상기 바이패스관이 중앙에 관통되며, 외면에 점화기와 연결되는 점화관이 형성되어 상기 연료를 연소시키는 점화부와,
    원통 형태로 형성되어 상기 점화부의 타단과 결합되고, 상기 바이패스관이 관통되며, 내부에 유로관이 형성되고 외면에 반응기체 배출관이 형성되는 개질반응부와,
    원통 형태로 형성되어 상기 개질반응부의 내측에 결합되고, 상기 바이패스관이 관통되며, 상기 개질반응부와 연결되어 원료를 제공하는 원료주입부를 포함하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질반응부는, 상기 외면에 온도감지기와 결합되는 온도감지관이 형성되는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스관은, 바이패스 공기가 배출되는 영역의 외면에 복수개의 바이패스홀이 형성되는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료부는,
    상기 바이패스관의 외면을 감싸도록 형성되는 연료주입관과,
    상기 연료주입관의 외면을 감싸도록 형성되는 연소공기주입관과,
    상기 연소공기주입관의 일측 외면을 둘러싸는 제 1 플렌지를 포함하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 점화부는, 상기 제 1 플렌지와 대응되는 위치에 제 2 플렌지가 구비되는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질반응부는, 상기 유로관의 내측에 촉매가 구비되고, 일측면에 상기 유로관에 연결되어 상기 촉매가 상기 유로관의 내외로 이동되는 복수개의 촉매출입관이 형성되는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료주입부는,
    일측면에 구비되어 상기 원료가 주입되는 원료주입관과,
    상기 원료주입관 및 유로관에 연결되어 상기 원료를 상기 개질반응부로 이동시키는 원료이동관을 포함하는 고체산화물 연료전지의 연료개질장치.
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