KR20200053116A - 연료 개질 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

일산화탄소 제거기의 과열에 의해 일산화탄소 제거 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 연료 개질 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료 개질 장치와 연료전지 스택을 포함한다. 상기 연료 개질 장치는 개질기와 일산화탄소 개질기를 포함한다. 상기 일산화탄소 제거기는 제1 온도에서 일산화탄소를 1차 제거하는 제1 일산화탄소 제거부와, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 일산화탄소를 2차 제거하는 제2 일산화탄소 제거부를 포함한다.

Description

연료 개질 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템 {FUEL REFORMING DEVICE AND FUEL CELL SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 연료전지 개질 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 이중 일산화탄소 제거 반응을 수행하는 일산화탄소 제거기를 포함하는 연료 개질 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 시스템이다.
도 1은 일반적인 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 연료 개질 장치(115) 및 전지 스택(130)을 포함한다.
연료 개질 장치(115)는 전지 스택에 수소를 공급하는 장치이다. 연료 개질 장치(115)는 개질기(110) 및 선택적 산화반응기(120)를 포함한다.
개질기(110)는 LNG, 석탄가스, 메탄올 등의 탄화수소계 연료를 수소로 개질한다. 개질기(110)에서의 개질 반응은, 탄화수소계 연료와 수증기가 화학 반응하는 것이다. 이때, 개질 반응의 결과물인 개질 가스는 수소이지만, 불가피하게 일산화탄소(CO)도 함께 생성된다.
선택적 산화반응기(120)는 개질기(110)의 개질 반응의 결과물인 개질가스 중 일산화탄소를 선택적으로 산화반응시킨다. 선택적 산화반응기(120)에서의 산화반응은 일산화탄소와 산소가 화학반응하는 것이다. 이를 위해, 일산화탄소의 선택적 산화반응을 위해 산소를 포함하는 가스, 예를 들어 공기가 선택적 산화반응기에 공급된다. 선택적 산화반응기(120)에는 일산화탄소가 선택적으로 산화될 수 있도록 촉매가 포함된다.
전지 스택(130)은, 선택적 산화반응기(120)로부터 연료극에 공급되는 수소와 공기극에 공급되는 공기에 포함된 산소의 전기화학반응에 의해 전기를 생성한다.
선택적 산화반응기(120)에서 일산화탄소와 산소는 약 120℃ 정도의 온도에서 반응하며, 이 반응은 발열 반응이다. 선택적 산화반응기(120)에서의 선택적 산화반응이 계속되는 경우, 발열 반응의 특성상 선택적 산화반응기(120)가 약 200℃ 정도로 과열된다. 선택적 산화반응기(120)가 과열되면, 선택적 산화반응기에서의 일산화탄소의 선택적 산화 반응이 제대로 이루어지지 않게 된다. 따라서, 일산화탄소 제거 효율 저하를 방지하기 위해서는 선택적 산화반응기(120)의 온도를 적절히 유지할 필요성이 있다.
선택적 산화반응기(120)의 온도를 적정 온도로 유지하기 위해, 선택적 산화반응기(120)에 열교환기를 배치하는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 선택적 산화반응기에 열교환기를 추가 배치하는 것은 선택적 산화반응기의 구조를 복잡하게 하고, 또한 선택적 산화반응기의 사이즈를 크게 증가시킨다.
본 발명의 과제는 일산화탄소 제거 효율 저하를 방지할 수 있는 연료 개질 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 과제는 상기 연료 개질 장치를 이용한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 과제 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 과제 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 연료 개질 장치는 개질기 및 일산화탄소 제거기를 포함한다. 이때, 상기 일산화탄소 제거기는 제1 온도에서 일산화탄소를 1차 제거하는 제1 일산화탄소 제거부와, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 일산화탄소를 2차 제거하는 제2 일산화탄소 제거부를 포함한다.
본 발명에서 개질기와 일산화탄소 제거기는 별개로 구성되고, 제1 일산화탄소 제거부와 제2 일산화탄소 제거부는 일체로 구성될 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 제2 온도는 상기 제1 일산화탄소 제거부에서의 일산화탄소 제거 반응에 의해 제공될 수 있다.
이때, 상기 제1 일산화탄소 제거부에서는 하기 식 1에 따른 반응이 수행되고, 상기 제2 일산화탄소 제거부에서는 하기 식 2에 따른 반응이 수행될 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료 개질 장치 및 연료전지 스택을 포함한다.
상기 연료 개질 장치는 개질기와 일산화탄소 제거기를 포함한다. 이때, 일산화탄소 제거기는 제1 온도에서 일산화탄소를 1차 제거하는 제1 일산화탄소 제거부와, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 일산화탄소를 2차 제거하는 제2 일산화탄소 제거부를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 개질 장치는 일산화탄소 제거기의 제1 일산화탄소 제거부 후단에 상대적으로 높은 온도에서 작동하는 제2 일산화탄소 제거부가 포함된다. 이를 통해 제1 일산화탄소 제거부에서 발생하는 열을 활용하여 제2 일산화탄소 제거부에서 추가적인 일산화탄소 제거 반응이 수행될 수 있다. 그 결과, 제1 일산화탄소 제거부 후단에 열교환기를 배치하지 않더라도 일산화탄소 제거 효율 저하를 방지할 수 있다. 이를 통해 종래의 열교환기를 포함한 복잡한 일산화탄소 제거기의 구성을 단순화할 수 있으며, 일산화 제거기를 콤팩트화할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 일반적인 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 제1 일산화탄소 제거 반응 및 제2 일산화탄소 제거 반응의 적정 온도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 연료 개질 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 개질 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 연료 개질 장치는 개질기(110) 및 일산화탄소 제거기(120)를 포함한다. 또한, 일산화탄소 제거기(120)는 제1 일산화탄소 제거기(120a)와 제2 일산화탄소 제거기(120b)를 포함한다.
개질기(110)는 탄화수소계 연료와 수증기를 약 600~800℃ 정도의 온도에서 반응시켜 수소를 생성한다. 탄화수소계 연료는 예를 들면 메탄(CH4), 에탄(C2H6) 등을 포함하는 천연가스가 이용될 수 있다. 개질기에서의 개질 반응은 고온에서 이루어지고, 또한 흡열 반응이므로, 개질기(110)에는 일반적으로 개질 반응에 필요한 열을 제공하기 위한 버너부(미도시)가 배치된다.
탄화수소계 연료와 수증기의 고온 개질 반응의 예로, 다음을 제시할 수 있다.
CH4 + H2O → H2 + CO + CO2 + CH4 + H2O
상기 반응식의 경우, 충분히 많은 양의 탄화수소계 연료와 수증기를 개질기에 투입하였을 때의 반응식으로, 각 성분의 몰 수는 고려하지 않았다.
이때, 상기의 반응식에서 볼 수 있는 바와 같이, 고온 개질 반응 결과, 수소 외에도 불가피하게 일산화탄소도 생성된다. 일산화탄소는 전지 스택의 효율 또는 성능을 저해하는 요인이 된다. 따라서, 개질 가스에 포함된 일산화탄소는 가능한 한 낮은 농도로 제어할 필요가 있다.
한편, 개질기 내부에는 수성 가스 전이(Water Gas Shift) 반응기(미도시)가 추가 배치될 수 있다. 이를 통해 개질기로부터 배출되는 개질 가스에 포함되는 일산화탄소 농도를 미리 1% 정도로 낮출 수 있다.
수소와 일산화탄소를 포함하는 개질가스는 개질가스 공급라인(201)을 통해 일산화탄소 제거기(120)로 공급된다.
일산화탄소 제거기(120)는 제1 일산화탄소 제거부(120a) 및 제2 일산화탄소 제거부(120b)를 포함한다. 제1 일산화탄소 제거부(120a)에서는 제1 온도(T1)에서 제1 일산화탄소 제거 반응을 통해 일산화탄소가 1차 제거된다. 제2 일산화탄소 제거부(120b)에서는 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도(T2, T2>T1)에서 제2 일산화탄소 제거 반응을 통해 일산화탄소가 2차 제거된다. 일산화탄소 제거 반응은 제1 일산화탄소 제거부(120a)에서 먼저 수행되고, 그 후 제2 일산화탄소 제거부(120b)에서 수행된다.
이때, 제2 일산화탄소 제거 반응에 요구되는 제2 온도(T2)는 상기 제1 일산화탄소 제거부(120a)에서의 일산화탄소 제거 반응에 의해 제공될 수 있다. 제1 일산화탄소 제거부(120a)에서의 제1 일산화탄소 제거 반응이 발열반응일 경우, 반응에 의해 일산화탄소 제거기(120) 내부 온도가 상승하게 된다. 본 발명에서는 일산화탄소 제거기(120)의 온도 상승을 활용하여 추가적인 제2 일산화탄소 제거 반응을 수행한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 개질기(110)와 일산화탄소 제거기(120)는 각각 별개의 모듈로 구성될 수 있다. 그리고, 제1 일산화탄소 제거부(120a)와 제2 일산화탄소 제거부(120b)는 하나의 모듈 내에 일체로 구성될 수 있다. 제1 일산화탄소 제거부(120a)와 제2 일산화탄소 제거부(120b)가 하나의 모듈 내에 함께 배치되어 있음을 통해, 제1 일산화탄소 제거부(120a)의 제1 일산화탄소 제거 반응에 의해 발생된 열이 제2 일산화탄소 제거부(120b)로 쉽게 전달될 수 있다.
이때, 상기 제1 일산화탄소 제거부(120a)에서는 하기 식 1에 따른 제1 일산화탄소 제거 반응이 수행되고, 상기 제2 일산화탄소 제거부(120b)에서는 하기 식 2에 따른 제2 일산화탄소 제거 반응이 수행될 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
상기 식 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 일산화탄소 제거부(120a)에서의 제1 일산화탄소 제거 반응은 선택적 산화반응으로서, 발열 반응이다. 본 발명에서는 제1 일산화탄소 제거부(120a)의 제1 일산화탄소 제거 반응이 발열 반응인 것에 기인하여 제1 일산화탄소 제거부(120a)에서 발생하는 열을 활용하여 제2 일산화탄소 제거부(120b)에서 추가적인 제2 일산화탄소 제거 반응을 수행한다. 이를 통하여 제1 일산화탄소 제거부(120a)의 적정 온도 유지를 위한 열교환기를 생략할 수 있다.
한편, 식 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 제2 일산화탄소 제거부(120b)에서의 반응 역시 발열 반응이다. 그러나, 상기 식 1 및 식 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 제2 일산화탄소 제거부(120b)에서 발생하는 열이 상기 제1 일산화탄소 제거부(120a)에서 발생하는 열보다 현저히 작다.
특히, 제1 일산화탄소 제거부(120a)에서 일산화탄소가 1차 제거되기 때문에, 제1 일산화탄소 제거부(120a)에 공급되는 혼합 가스에서의 일산화탄소의 농도에 비해 제2 일산화탄소 제거부(120b)에 공급되는 혼합 가스에서의 일산화탄소의 농도가 현저히 낮다. 따라서, 제2 일산화탄소 제거부에서는 과열이 문제되지 않는다. 물론, 제2 일산화탄소 제거부에 열교환기를 배치할 수도 있다.
제1 일산화탄소 제거부(120a)에 포함되는 촉매는 백금(Pt)이나 루테늄(Ru) 등이 될 수 있다. 제2 일산화탄소 제거부(120b)에 포함되는 촉매는 Ni, Ni-Co 등이 될 수 있다. 상기의 제1 일산화탄소 제거부(120a) 및 제2 일산화탄소 제거부(120b)에 포함되는 촉매들은 특정 온도에서 활성화되어, 각각의 일산화탄소 제거 반응이 이루어지는데 기여한다.
도 3은 제1 일산화탄소 제거부(120a)에서의 제1 일산화탄소 제거 반응이 식 1과 같은 선택적 산화 반응(PrOx)이고, 제2 일산화탄소 제거부(120b)에서의 제2 일산화탄소 제거 반응이 식 2와 같은 메탄화 반응(methanation)인 경우의 각각의 반응 적정 온도를 나타낸다. 반응 적정 온도는 CO 제거 효율이 거의 100%인 경우로서, 선택적 산화 반응의 경우 약 100~150℃ 이고, 메탄화 반응의 경우, 약 200~280℃인 것을 볼 수 있다. 본 발명의 경우, 제1 일산화탄소 제거부에서의 발열 반응을 통하여 발생하는 열을 활용하여 제2 일산화탄소 제거부의 적정 온도에서 제2 일산화탄소 제거 반응이 수행될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료 개질 장치(110, 120) 및 연료전지 스택(130)을 포함한다.
연료 개질 장치는 도 2에서 설명한 바와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다. 한편, 일산화탄소 제거기(120)의 결과물은 수소 공급라인(241)을 통하여 연료전지 스택(130)의 연료극으로 공급된다.
연료전지 스택(130)은 일산화탄소 제거기(120)와 연결된다. 전지 스택(130)의 기본 구성은 MEA(Membrane Electrode Assembly)를 수십 내지 수백개 배열한 것이다. 각각의 MEA에는 연료극과 공기극 사이에 이온을 이동시키는 전해질막이 배치되어 있다. 연료전지 스택(130)의 구조는 이미 많은 문헌에 공지되어 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.
냉각수 라인(242)은 전지 스택(130)을 관통한다. 전지 스택(130)에서 수소와 산소의 전기화학 반응이 이루어지는데 이 반응은 발열 반응이다. 따라서, 수소와 산소의 전기화학 반응이 이루어짐에 따라, 전지 스택의 온도가 상승한다.
따라서, 전지 스택(130)의 온도를 유지하기 위해 냉각수가 냉각수 라인(242)을 통해 순환한다. 냉각수의 온도는 연료전지 시스템마다 상이할 수 있으며, 예를 들어, 약 65℃ 정도가 될 수 있다. 냉각수는 전지 스택(130)을 통과하면서 약 5~10℃정도 승온된 후, 냉각수 라인(242)을 순환하면서 다시 원래의 온도로 냉각될 수 있다. 과냉각될 경우에는 냉각수 라인(140)에 구비될 수 있는 히터(140)를 통해 승온될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
110: 개질기 120: 일산화탄소 제거기
120a : 제1 일산화탄소 제거기 120b: 제2 일산화탄소 제거기
130: 연료전지 스택

Claims (9)

  1. 개질기; 및
    상기 개질기와 연결되는 일산화탄소 제거기를 포함하고,
    상기 일산화탄소 제거기는 제1 온도에서 일산화탄소를 1차 제거하는 제1 일산화탄소 제거부와, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 일산화탄소를 2차 제거하는 제2 일산화탄소 제거부를 포함하는, 연료 개질 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 온도는 상기 제1 일산화탄소 제거부에서의 일산화탄소 제거 반응에 의해 제공되는, 연료 개질 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 일산화탄소 제거부에서는 하기 식 1에 따른 반응이 수행되는, 연료 개질 장치.
    Figure pat00005

  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 일산화탄소 제거부에서는 하기 식 2에 따른 반응이 수행되는, 연료 개질 장치.
    Figure pat00006

  5. 제1항에 있어서,
    상기 개질기와 일산화탄소 제거기는 별개로 구성되며,
    상기 제1 일산화탄소 제거부와 제2 일산화탄소 제거부는 일체로 구성되는, 연료 개질 장치.
  6. 개질기와, 일산화탄소 제거기를 포함하는 연료 개질 장치; 및
    상기 연료 개질 장치와 연결되는 연료전지 스택;을 포함하고,
    상기 일산화탄소 제거기는 제1 온도에서 일산화탄소를 1차 제거하는 제1 일산화탄소 제거부와, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 일산화탄소를 2차 제거하는 제2 일산화탄소 제거부를 포함하는, 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 일산화탄소 제거부에서의 일산화탄소 제거 반응에 의해 상기 제2 일산화탄소 제거부에 제2 온도가 제공되는, 연료전지 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연료전지 스택을 관통하는 냉각수 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉각수 라인에는
    냉각수를 가열하는 히터와,
    냉각수의 흐름을 제어하는 송풍기 중 하나 이상이 추가로 배치되어 있는, 연료전지 시스템.
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KR20230100394A (ko) 2021-12-28 2023-07-05 엘지전자 주식회사 연료전지 장치 및 그 제어방법

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