KR20210080133A - 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템이 개시된다.
개시된 본 발명은 메탄가스를 공급하는 메탄가스 공급부; 상기 메탄가스 공급부로부터 공급되어온 메탄가스를 개질하여 수소가스를 발생시키고 이를 공급하는 개질부; 및 상기 개질부로부터 공급되어온 수소와 산소공급원으로부터 공급되는 산소를 전기 화학적인 반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 스택;을 포함하며, 상기 개질부는 개질연료가 이송되는 개질연료 이송관; 상기 개질연료 이송관으로 이송되는 개질연료를 열개질하기 위하여 열원을 제공하는 연료개질버너로 구성되되, 상기 연료개질버너는, 최하층을 구성하고 있으며, 공급관으로부터 공급되어온 연료가스, 부생가스 및 공기를 혼합할 수 있도록 혼합부재가 내장된 혼합모듈; 상기 혼합모듈과 연통되도록 상부에 적층된 채, 상기 혼합모듈에서 혼합되어 상승하는 혼합가스를 분산시켜주는 분산모듈; 상기 분산모듈의 상부에 연통되게 적층되며, 그 내부에 상기 혼합가스를 촉매반응에 의해 연소시키기 위한 고온 연소촉매가 충진된 연소촉매모듈; 상기 연소촉매모듈의 상부에 연통되게 적층되며, 연소반응을 위해 열원을 제공하는 점화수단이 마련된 점화모듈; 상기 점화모듈의 상측에 연통되게 적층되며, 상기 공급관이 내부를 관통하도록 지지함으로써 내부의 고온 연소가스에 의해 공급관을 통과하는 혼합가스가 예열되도록 하는 예열모듈;로 구성되며, 상기 개질연료 이송관은 상기 예열모듈 내에 위치하여, 예열모듈 내의 분위기 열에 의해 개질연료 이송관 내의 연료가 개질되도록 하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템{Fuel cell system including fuel reforming burner using high temperature combustion catalyst}
본 발명은 연료전지 시스템에 관련한 것으로, 더 상세하게는 연료가스가 연소되기 전에 버너 내의 분위기 온도에 의해 예열과정을 거침에 따라 연소단계에서 연소온도를 낮출 수 있으므로 연료비 절감이 가능하고, 스택에서 미반응된 가스를 회수하여 연료개질버너로 재투입함으로써 자원의 재활용에 따른 에너지 절감이 가능한 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소를 이용, 산소와의 화학반응을 통하여 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 발전 시스템이다.
고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell:PEMFC) 시스템은 수소와 공기의 전기화학적 반응에 의하여 전기와 열을 생산하는 고효율의 차세대 분산형 발전시스템이다. 이러한 연료전지 시스템은 연료전지 스택(stack)과 연료처리장치를 주요부를 구비하고 연료탱크, 연료 펌프 등을 부수적으로 구비한다.
상기 연료전지스택은 막전극접합체(MEA: membrane electrode assembly)와 분리막(separator)으로 이루어진 단위 셀이 수 내지 수십 개가 적층된 구조이다.
상기 연료처리장치는 연료개질기(reformer)와 쉬프트 반응기(shift reactor), 및 CO 제거기를 구비한다. 연료처리장치에서 생성된 수소는 PEMFC 스택의 애노드 전극에 공급되고, 캐소드 전극에 공급된 산소와 만나 전기·화학적 반응을 하여 스택에서 전기를 생산하게 된다.
연료개질기에서의 리포밍 반응은 고온에서 이루어지기 때문에, 연료처리장치에는 필요한 열을 공급하기 위한 수단으로서 연료개질기 버너를 구비한다.
연료개질기 버너는 기본적으로 연료가스를 연소시켜 열을 생성하게 되는데, 이때 연료가스는 일반적으로 주로 메탄가스로 된 도시가스 등의 탄화수소 가스가 주를 이룬다. 그러나, PEMFC 시스템의 효율 향상을 위해서 상기 버너는 단순히 탄화수소 등의 연료가스의 연소뿐만이 아니라 수소가스의 연소가 가능해야 한다. 다시 말하면, PEMFC 스택에서 미반응되어 배출되는 애노드 오프 가스(Anode Off Gas:AOG)에 포함된 수소가스를 연소하는 수단이 필수적으로 갖추어져 있어야 한다. 이는 PEMFC 스택에서의 수소가스 이용률은 일반적으로 70 ~ 85% 정도이며, 나머지 미반응된 잔류의 수소연료는 스택 밖으로 버려지게 됨으로써 자원이 낭비되는 문제점이 있었다.
또한, 기존의 연료개질기 버너는 화염버너를 사용하고 있는데, 이는 연료의 공급이 용이하고 효율이 우수하다는 장점이 있다. 또한, 비교적 유해 가스의 배출이 적기 때문에 다양한 장소에서 많이 사용되고 있다. 다만, 화염버너의 경우, 1,000℃ 이상으로 화염온도를 조절하는데 어려움이 있기 때문에 NOx 및 CO가 기준치 이상으로 배출되는 단점이 있다.
또한, 통상의 가스연료는 예열없이 바로 연소과정을 거치게 되므로 연료소모가 많고, 가스연료가 연소영역까지 도달할 수 있도록 강제 송풍이 이루어지고 있어서 송풍량이 불규칙하고 집중송풍이 이루어져 연소효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
문헌 1 : 등록특허공보 제1015506호(2011.02.10, 등록) 문헌 2 : 등록특허공보 제1305805호(2013.09.02, 등록)
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 스택에서 이용되지 않고 버려지는 수소가스를 회수하여 연료개질버너의 연료로 활용함으로써 유효자원의 효용율을 높일 수 있는 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 연료로 사용되는 혼합가스가 연소되기 전에 난로내의 분위기 온도에 의해 예열과정을 거침에 따라 연소단계에서 연소온도를 낮출 수 있으므로 연료비 절감이 가능한 점, 예열에 의해 온도가 올라간 혼합가스는 상승기류에 의해 자연스럽게 상승되면서 연소가 이루어지게 되므로 일정하고 안정된 연소가 가능한 점에 특징을 갖는 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기한 목적에 따라, 메탄가스를 공급하는 메탄가스 공급부; 상기 메탄가스 공급부로부터 공급되어온 메탄가스를 개질하여 수소가스를 발생시키고 이를 공급하는 개질부; 및 상기 개질부로부터 공급되어온 수소와 산소공급원으로부터 공급되는 산소를 전기 화학적인 반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 스택;을 포함하며, 상기 개질부는 개질연료가 이송되는 개질연료 이송관; 상기 개질연료 이송관으로 이송되는 개질연료를 열개질하기 위하여 열원을 제공하는 연료개질버너로 구성되되, 상기 연료개질버너는, 최하층을 구성하고 있으며, 공급관으로부터 공급되어온 연료가스, 부생가스 및 공기를 혼합할 수 있도록 혼합부재가 내장된 혼합모듈; 상기 혼합모듈과 연통되도록 상부에 적층된 채, 상기 혼합모듈에서 혼합되어 상승하는 혼합가스를 분산시켜주는 분산모듈; 상기 분산모듈의 상부에 연통되게 적층되며, 그 내부에 상기 혼합가스를 촉매반응에 의해 연소시키기 위한 고온 연소촉매가 충진된 연소촉매모듈; 상기 연소촉매모듈의 상부에 연통되게 적층되며, 연소반응을 위해 열원을 제공하는 점화수단이 마련된 점화모듈; 상기 점화모듈의 상측에 연통되게 적층되며, 상기 공급관이 내부를 관통하도록 지지함으로써 내부의 고온 연소가스에 의해 공급관을 통과하는 혼합가스가 예열되도록 하는 예열모듈;로 구성되며, 상기 개질연료 이송관은 상기 예열모듈 내에 위치하여, 예열모듈 내의 분위기 열에 의해 개질연료 이송관 내의 연료가 개질되도록 하는 것을 더 포함하는, 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다.
바람직하게, 상기 스택에서 미반응된 된 가스는 상기 연료개질버너의 공급관으로 회수되어 연료로 재활용될 수 있다.
바람직하게, 상기 공급관은 외부공급관 및 내부공급관으로 구성되며, 상기 내부공급관은 상기 예열모듈의 예열통 측면을 수평으로 관통한 후, 상기 혼합부재를 향해 수직 하향으로 절곡되게 설치될 수 있다.
바람직하게, 상기 외부공급관은, 부생가스 및 산소가 공급되는 제1 외부공급관; 연료가스 및 산소가 공급되는 제2 외부공급관; 상기 제1, 2 외부공급관이 하나로 병합되는 병합관;으로 구성되되, 상기 제1 외부공급관 상에는 연료가스, 부생가스 및 산소를 강제 송풍하기 위한 메인 송풍기가 설치될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 외부공급관에는 상기 메인 송풍기를 대체하기 위한 서브 송풍기가 보조공급관을 매개로 설치된 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 예열모듈의 상측에는 연소가스를 외부로 배기하기 위한 배기관이 연결될 수 있다.
바람직하게, 상기 각 모듈은 플랜지 이음에 의해 결합될 수 있다.
바람직하게, 상기 점화수단은 스파크형 점화봉, 파일럿 버너, 전기히터 중 어느 하나로 될 수 있다.
바람직하게, 상기 고온 연소촉매는 질산염 전이 금속, 질산염 알칼리 토금속 및 질산염 알루미늄을 함유하되, 상기 질산염 알칼리 토금속은 칼슘, 스트론튬, 바륨 또는 라듐 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 질산염 전이 금속/질산염 알칼리 토금속/질산염 알루미늄의 몰 비는 (1-x)/(1-y)/11이되, 상기 x는 0.1 내지 0.5 범위의 수이고, 그리고 y는 0.1 내지 0.5 범위의 수로 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 스택에서 이용되지 않고 버려지는 수소가스를 회수하여 연료개질버너의 연료로 활용함으로써 유효자원의 효용율을 높일 수 있다.
또한, 혼합가스가 공급되는 공급관이 난로 내부를 경유하도록 구성하여, 혼합가스가 연소되기 전에 난로 내의 분위기 온도에 의해 예열되도록 함으로써, 연소단계에서 연소온도를 낮출 수 있으므로 연료비를 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 예열에 의해 온도가 올라간 혼합가스는 대류작용에 의해 상승하면서 연소가 이루어지게 되므로 강제적인 송풍에 의한 연소에 비해 일정하고 안정된 연소가 가능하다는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템에 대한 블록도
도 2는 본 발명에 따른 연료개질버너의 상세 구성도
도 3은 본 발명에 따른 연료개질버너에서 혼합가스의 흐름을 화살표로 나타낸 작동상태도
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 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.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템에 대한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 메탄가스(CH4)를 공급하는 메탄가스 공급부(200)와, 상기 메탄가스 공급부로부터 공급되어온 메탄가스를 개질하여 수소가스를 발생시키고 이를 공급하는 개질부(300)와, 상기 개질부로부터 공급되어온 수소와 산소공급원으로부터 공급되는 산소를 전기 화학적인 반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 스택(400)으로 구성될 수 있다.
여기서. 상기 개질부(300)에서의 리포밍 반응은 고온에서 이루어짐을 감안하여, 개질연료가 이송되는 개질연료 이송관(310)과, 상기 개질연료 이송관으로 이송되는 개질연료를 가열에 의해 열개질하기 위하여 열원을 제공하는 연료개질버너(100)로 구성될 수 있다.
상기 연료개질버너(100)는 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 혼합모듈(120), 분산모듈(130), 연소촉매모듈(140), 점화모듈(150) 및 예열모듈(160)을 포함할 수 있다. 여기서, 각 모듈은 예컨대 사각박스 형태로 마련될 수 있고, 각 모듈은 플랜지 이음에 의해 적층 결합할 수 있어서 필요에 따라 모듈의 적층 구성을 달리할 수도 있고, 특정 모듈을 교환할 때도 유용하다.
상기 혼합모듈(120)은 공급관(110)으로부터 공급되어온 연료가스, 부생가스 및 공기(산소)를 혼합하는 역할을 하는 것으로 연료개질버너(100)의 최하층을 구성하고 있다.
상기 혼합모듈(120)은 혼합통(121)과, 상기 혼합통의 내부 바닥면에 설치되는 혼합부재(122)로 구성될 수 있다. 여기서 혼합부재(122)는 철실이 얼기설기 엉켜있는 철수세미와 같은 형태로 될 수 있다. 이 경우, 공급관(110)으로부터 배출되는 연료가스 등이 철수세미의 불규칙한 유로를 통과하면서 양호하게 혼합됨과 함께 분산된다.
상기 혼합모듈(120)에서 미설명된 부호(123)는 혼합통(121) 내에 고여 있는 응축수를 외부로 배수하기 위한 드레인 밸브이고, (124)는 비상시에 혼합통(121) 내의 혼합가스를 외부로 배출하기 위한 에어벤트 밸브이다.
상기 분산모듈(130)은 상기 혼합모듈(120)과 연통되도록 상부에 적층된 채, 상기 혼합모듈에서 혼합되어 상승하는 혼합가스를 분산시켜주는 역할을 하는 것으로, 본 실시예에서는 상기 분산모듈(130)은 분산통(131)과, 상기 분산통 내에 설치되는 메쉬(mesh) 형태의 분산부재(132)로 구성될 수 있다.
상기 연소촉매모듈(140)은 상기 분산모듈(130)의 상부에 연통되게 적층되며, 그 내부에는 상기 혼합가스를 촉매반응에 의해 연소시키기 위한 고온 연소촉매(141)가 충진될 수 있다.
상기 연소촉매모듈(140)의 부피는 고온 연소촉매의 충진량에 따라 가변적이나 100~500리터가 적절하다. 실험결과, 상기 연소촉매모듈(140)의 열효율은 90% 이상이 될 수 있으며, 연소촉매모듈에서 배출되는 CO량은 20ppm 이하이고, 연소촉매모듈(140)에서 배출되는 NOx 양은 20ppm 이하이며, 부생가스 및 유해가스의 처리 효율은 99% 이상이다.
상기 고온 연소촉매(141)는 알갱이 형태 즉, 펠릿형태를 이룰 수 있으나, 원통형, 원기둥형, 구형, 육면체형 등도 적용될 수 있다. 이들은 모두 기공을 형성될 수 있으며, 기공이 형성되면, 연료가스의 확산방지 및 차압을 받지 않게 되므로 연료가스가 특정부위로 편중되지 않고 일정하게 통과하게 된다.
바람직하게, 상기 펠릿의 크기는 2 ~ 5mm가 적절하다 펠릿의 크기가 이 범위보다 크면 펠릿과 펠릿 사이의 기공이 커지게 되어 연소효율이 저하되고, 반면 펠릿의 크기가 이 범위보다 작으면 기공이 작아지게 되어 연소가스의 통과율이 저하되므로 연소촉매모듈(140)의 점화불꽃이 상기 분산모듈(130)로 플래시 백(flash back)되는 문제점이 발생하므로 상기 크기범위를 준수해야 한다.
한편, 상기 고온 연소촉매(141)는 아래의 공정에 의해 대량생산이 가능하다.
질산염 전이 금속, 질산염 알칼리(alkali) 토금속 및 질산염 알루미늄(aluminum)을 함유하는 금속 전구체 용액이 제조된다. 질산염 전이 금속/질산염 알칼리 토금속/질산염 알루미늄의 몰 비는 (1-x)/(1-y)/11이되, 여기서 x는 0.1 내지 0.5 범위의 수이고, 그리고 y는 0.1 내지 0.5 범위로 될 수 있다. 질산염 전이 금속은 망간, 코발트, 철 또는 크롬 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 질산염 알칼리 토금속은 칼슘, 스트론튬, 바륨 또는 라듐 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 금속 전구체 용액을 제조하는 것은 질산염 전이 금속, 질산염 알칼리 토금속 및 질산염 알루미늄을 증류수에 용해하는 것일 수 있다.
침전 용액이 제조된다. 침전 용액을 제조하는 것은 요소를 증류수에 교반하는 것일 수 있다. 침전 용액에서의 요소의 농도는 금속 전구체 용액에서의 금속 전구체의 농도의 12배일 수 있다.
금속 전구체 용액 및 침전 용액을 혼합하여, 혼합 용액이 제조되면, 혼합 용액을 90 ~ 100 ℃로 승온시키고, 그리고 10 ~ 48 시간 유지시켜 침전 반응이 일어나도록 한다. 혼합 용액을 침전 반응시키는 것은 균일 용액 침전법을 이용할 수 있다.
침전 반응에 의해 형성된 침전물 슬러리(slurry)는 여과되어, 혼합 용액으로부터 분리된다. 침전물 슬러리를 여과하여 분리된 혼합 용액은 침전 용액을 제조하는 것에 재활용될 수 있다. 침전물 슬러리가 수세된다.
수세된 침전물 슬러리에 있는 수분을 제거하기 위해 건조가 수행된다. 수세된 침전물 슬러리를 건조하는 것은 100 ~ 150 ℃ 범위의 온도에서 건조하는 것일 수 있다.
건조된 침전물 슬러리에 잔존하는 수분을 제거하기 위해 1,000 ~ 1,500 ℃에서 소성이 수행된다. 소성된 침전물 슬러리는 헥사알루미네이트 구조를 가지되, 5 ~ 150 m2/g 범위의 비표면적을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 고온 연소촉매의 제조방법에 적용된 균일 용액 침전법은 다른 침전법과 달리 공정이 간편하고, 대량 생산을 위한 공정 설계가 용이하다. 일반적인 촉매 제조 방법으로 널리 사용되고 있는 공침법은 촉매를 합성하기 위한 침전제로 탄산나트륨(Na2CO3)이나 수산화나트륨(NaOH) 등과 같은 염기성 물질을 사용하며, 금속 전구체는 금속 질산염 등과 같은 산성 물질을 사용한다. 이 두 물질의 산중화 반응에서 생성되는 염을 사용하여 촉매로 이용하게 된다. 이 과정에서 pH 조절이 촉매의 물성과 성능을 결정짓는 중요한 요소 중 하나이다. 그러나 pH 조절 속도를 맞추는 것은 비교적 어려운 공정이며 까다로운 공정이다 이러 공정으로 인해 동일한 품질의 촉매를 대량으로, 그리고 반복적으로 제조하는 것은 비교적 어렵다.
본 발명에 따른 고온 연소촉매의 제조 방법에 사용된 균일 용액 침전법은, 이러한 pH 조절 문제를 해결하면서 대량으로, 그리고 반복적으로 동일한 품질의 고온 연소 촉매를 제조할 수 있다 균일 용액 침전법에서 침전제로 사용되는 요소는 90 ~ 100℃ 사이에서 암모니아(NH3)와 탄산가스(CO2)로 분해되어 금속 전구체들과 반응하게 된다. 이때, 용액 전체에서 침전 반응이 균일하게 나타나며, pH는 자연적으로 7을 유지하게 된다 수산화나트륨 등을 침전제로 이용한 공침법에서는, 침전제가 투입되는 곳에서만 먼저 침전 반응이 국부적으로 일어나면서 순간적으로 그 부위만 높은 pH가 나타나므로 강한 교반이 필요하고, 균일성을 보장하기 힘들기 때문에, 동일한 품질의 촉매를 생산하기 어려운 단점이 있다. 반면에, 균일 용액 침전법은 이러한 문제점을 해결할 수 있으므로, 동일한 품질의 고온 연소 촉매를 비교적 간단히 생산할 수 있다.
여과 및 수세 공정에서, 수산화나트륨 등을 침전제로 이용한 공침법의 경우, 침전물 슬러리 속에 남아있는 소듐(Na) 또는 질산염 등과 같은 불순물들을 제거하여 하는데, 이 불순물들은 다량의 증류수로 용해시켜야만 제거된다. 이 불순물들은 촉매의 물성과 성능을 저하하는 원인으로 작용하므로, 여과 및 수세 공정을 엄격히 실시해야 한다. 이때 사용되는 증류수 양이 촉매를 합성할 때 사용되는 증류수보다 3 ~ 4 배 이상 사용된다 반면, 균일용액 침전법에서 생성되는 불순물들은 질산암모늄(NH4NO3)이나 미 반응된 요소이며, 이 불순물들은 소량의 증류수에도 잘 용해되어 제거가 용이하며, 열에 의해서도 제거가 가능하다. 그래서 균일 용액 침전법은 일반적인 공침법보다 불순물에 의한 촉매의 물성 및 성능 저하 현상이 거의 나타나지 않으며, 이러한 공정 상의 간편성으로 인해 공정 비용이 적게 들 수 있다.
또한, 침전 반응이 끝난 후, 여과 공정에서 생성되는 폐수의 대부분은 미 반응된 요소이므로 침전제 역할을 하는 침전 용액으로 재사용이 가능하다. 침전 반응에서 과량으로 사용되는 침전 용액 중 전구체 농도와 동일한 요소만 침전 반응에 사용되며 나머지 요소는 그대로 남게 된다 과량의 요소를 사용하게 되는 이유는 침전 반응속도를 정반응 쪽으로 원활하게 진행시키기 위해서이다 그래서 침전 용액 중 일부만 사용되고 나머지는 그대로 여과액으로 나오게 된다 여과액에 이론적으로 사용된 요소 양만 추가하여 사용하면 다시 침전 용액으로 재활용이 가능하다.
그리고, 수세 공정 또한 기존의 공침법에 비해 간편하다. 그 이유는 여과 공정 후 침전물에 남은 불순물은 반응후 생성된 질산암모늄 형태로 남아 있는데, 질산암모늄 또한 용해도가 높으며, 반응에 사용된 증류수의 1/2 정도만 사용하여도 충분히 제거가 되며, 건조 및 소성 공정에서도 완전히 제거가 가능하다. 또한, 여기서 생성되는 소량의 폐수 또한 재사용이 가능하다. 그래서 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 연소 촉매의 제조 방법은 폐기되는 폐액이 거의 없는 무공해 제조 방법이라고 할 수 있다.
건조 및 소성공정에서, 침전물 슬러리의 건조는 약 100℃에서 10시간 이상 진행하여 잔존 수분을 제거한다. 그리고 소성 공정에서는 1,000 ℃ 이상으로 약 1 시간 이상 소성을 유지함으로써, 고온에서도 성능 및 내구성을 유지할 수 있는 고온 연소 촉매가 제조될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 고온 연소 촉매의 제조 방법을 보다 상세히 설명한다.
1. 금속 전구체 용액 제조
금속 전구체로 망간(Mn), 바륨(Ba), 알루미늄을 질산염의 형태인 질산염 망간(Mn(NO3)2·6H2O), 질산염 바륨(Ba(NO3)2), 질산염 알루미늄(Al(NO3)3·9H2O) 시약들이 사용되었다 고온 연소 촉매의 성분비인 망간/알루미늄/바륨은 1/10/1의 몰(molar) 비로 증류수에 용해시킨다.
2. 요소 용액 제조
요소 또한 증류수에 교반을 시켜 요소 용액이 제조된다 요소 용액의 농도는 금속 전구체 농도의 약 12배로 한다.
3. 혼합
앞서 제조된 같은 용량의 금속 전구체 용액 및 요소 용액은 합성 반응기에서 혼합되어 혼합 용액이 형성된다.
4. 침전 반응
합성 반응기의 온도는 약 95 ℃로 승온을 하고, 혼합 용액은 24 시간 이상 강하게 교반되면서 유지된다.
5. 여과
이러한 균일 용액 침전법으로 침전된 침전물 슬러리에 남아있는 질산암모늄 및 미 반응된 소량의 요소와 금속전구체인 불순물 및 물을 제거하기 위해서 여과 공정이 실시된다. 부후너 깔때기(Buchner funnel)에 필터(filter)를 설치를 한 다음, 침전물 슬러리를 투입시켜 필터에 걸러진 침전물 슬러리와 폐액으로 분리된다.그리고 폐액은 다시 사용될 요소(금속 전구체 농도가 1 M이면, 요소 또한 1 M에 해당하게 첨가)를 첨가하여 요소용액으로 재활용될 수 있다.
6. 수세
폐액을 분리한 다음, 침전물 슬러리에 소량의 증류수를 통과시키는 것에 의해 침전물 슬러리 속에 남아 있는 질산암모늄이 제거된다. 그리고 여기서 생성된 폐액 또한 보관하여 차후 고온 연소 촉매를 제조할 때 다시 수세공정에 투입이 가능하다.
7. 건조 및 소성
불순물 및 물이 제거된 침전물 슬러리의 내부에 잔존하는 수분을 완전히 제거하기 위해서 약 100 ℃의 건조 오븐에서 약 10 시간 이상 건조 공정이 수행된다. 그 후 최종 상품인 고온 연소 촉매를 제조하기 위해서 건조된 침전물 슬러리는 1,200 ℃로 약 3 ℃/min의 승온 속도로 승온되어 다음 약 6 시간 동안 유지된다.
상기 고온 연소촉매는 연료가스의 연소반응과 동시에 유해가스의 분해/연소 반응을 일으키는 역할을 한다. 특히 고온 연소촉매의 활성점에 해당되는 부분에서 연소반응과 분해반응이 동시에 일어나는데, 이 반응은 강한 발열 반응이므로 많은 양의 열이 발생한다. 예를 들어 유해가스가 톨루엔인 경우, 1kg의 양이 고온 연소촉매에서 처리될 때 약 9,665kcal의 열이 발생하게 된다. 또한, 연료가스가 LNG인 경우, 1Nm3의 양이 고온 연소촉매에서 연소될 경우 약 10,200kcal의 열이 또한 발생하게 된다. 이것은 고온 연소촉매에서 연료가스와 유해가스가 동시에 처리되고 그 열량 또한 연료가스와 유해가스의 열량을 합한 것과 같다. 따라서, 유해가스의 농도가 높을수록 연료가스의 양이 적게 투입되므로 연료를 절약할 수 있다는 장점을 갖게 된다.
상기 연소촉매모듈(140)에서의 촉매효율을 높이기 위한 최적의 조건은, 상기 연소촉매모듈에 대한 혼합가스의 공간속도(GHSV)가 1,000 ~ 30,000 h-1라고 할 때, 상기 연소촉매모듈(140)의 부피는 1~15ℓ이고, 상기 고온 연소촉매(141)의 밀도는 0.5~1 g/㎖ 이며, 고온 연소촉매(141)의 공극률(고온 연소촉매 전체 용적에 대한 공간용적의 비율)은 0.3 ~ 0.5%로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 연소촉매모듈(140)의 토출측 압력강하율을 20% 이내로 유지할 수 있게 된다.
아래의 표 1은 처리가스가 연소촉매모듈을 통과하기 전과 통과한 후의 THC농도를 비교 측정한 것이다.
Figure pat00001
여기서, 연료가스는 메탄을 사용하였으며, 유해가스는 VOCS 종류인 THC(total hydro-carbon)을 사용하였다.
표 1에서 THC 처리 효율은 평균 995% 이상이 지속적으로 나타나고 있어서, 기존의 대기환경 정화시스템(RTO 시스템, 활성탄 흡착처리시스템 등)보다 월등히 우수한 것으로 나타났다.
아래의 표 2는 기존의 연소촉매와 본 발명에 따른 고온 연소촉매를 대비한 것으로, 처리효율 부분에서는 본 발명이 기존의 처리시스템보다 우수하고, 운전온도는 기존의 연소촉매보다 높은 온도 영역에서 운전이 가능하다. 따라서, 타르나 미세먼지, 황화합물과 염소화합물에 대한 피독 등에서 유리하며, 저가의 전이금속계열의 고온 연소촉매를 사용하므로 유지비용이 저렴하다는 장점도 있다.
Figure pat00002
상기 점화모듈(150)은 상기 연소촉매모듈(140)의 상부에 연통되게 적층된 채, 연소반응을 위해 열원을 제공하는 점화수단(151)이 마련된다. 여기서 점화수단은 스파크형 점화봉, 파일럿 버너, 전기히터 중 어느 하나가 적용될 수 있다. 이 중, 예열시 전기히터가 적용될 경우, 초기화염이 전혀 발생하지 않게 된다.
한편, 상기 점화모듈(150)의 일측에는 연소촉매모듈(140) 내의 연소상태를 육안으로 확인할 수 있는 관찰창(미도시)이 마련될 수도 있다.
상기 예열모듈(160)은 연료개질버너의 핵심 구성으로서, 상기 점화모듈(150)의 상측에 적층되며, 상기 공급관(110)이 내부를 관통하도록 지지함으로써 내부의 고온 연소가스에 의해 공급관(116)을 통과하는 혼합가스가 예열되도록 하는 역할을 한다. 예열모듈(160)의 상측에는 연소가스를 외부로 배기하기 위한 배기관(170)이 연결될 수 있다.
여기서, 상기 개질연료 이송관(310)은 상기 예열모듈(160) 내에 위치하여, 예열모듈 내의 분위기 열에 의한 열교환작용으로 개질연료 이송관 내의 연료가 개질되며, 개질효율을 높이기 위하여 상기 개질연료 이송관(310)은 지그재그로 구부러진 곡관형태를 취하도록 함으로써 열교환 시간 및 면적이 확장되도록 하였다.
상기 배기관(170)의 일측에는 배기관을 통해 배출되는 배기가스의 성분을 측정하기 위하여 배기가스 일부를 샘플링하기 위한 샘플링 밸브(171)가 설치될 수 있다.
여기서, 상기 공급관(116)은 예열모듈(160)의 외부에 위치하는 외부공급관(111)과, 예열모듈(160)의 내부에 위치하는 내부공급관(112)으로 구성될 수 있으며, 상기 내부공급관(112)은 상기 예열모듈(160)의 예열통(161) 측면을 수평으로 관통한 후, 상기 혼합부재(122)를 향해 수직 하향으로 절곡되게 설치된다.
이러한 상기 공급관(110)은 내부공급관(112)이 예열모듈(160)을 통과함에 따라 예열모듈 내의 고온 연소가스에 의해 내부공급관을 통과하는 연료가스 등이 열교환되어 고온으로 예열된다. 이는 연소전에 먼저 고온으로 예열되므로써 연소단계에서 연소온도를 낮출 수 있으므로 연료비 절감이 가능하고, 예열에 의해 온도가 올라간 혼합가스는 상승기류에 의해 자연스럽게 상승되면서 연소가 이루어지게 되므로 일정하고 안정된 연소가 가능하다는 장점이 있다.
한편, 상기 외부공급관(111)은 부생가스 및 산소가 공급되는 제1 외부공급관(111a)과, 연료가스 및 산소가 공급되는 제2 외부공급관(111b)과, 상기 제1, 2 외부공급관이 하나로 병합되는 병합관(111c)으로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 외부공급관(111a) 상에는 연료가스, 부생가스 및 산소를 강제 송풍하기 위한 메인 송풍기(113)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 제1 외부공급관(111a)에는 상기 메인 송풍기(113)를 대체하기 위한 서브 송풍기(114)가 보조공급관(111d)을 매개로 설치될 수 있다. 따라서, 상기 메인 송풍기(113)가 고장이나 수리 등으로 사용이 불가한 경우, 서브 송풍기(114)를 가동시켜서 보조공급관(111d)을 통해 연료가스 등을 송풍할 수 있다.
미설명부호 (111e)는 제1 외부공급관(111a)을 통해 공급되는 부생가스 및 산소를 비상시에 외부로 배출시키기 위한 비상배출밸브이고, (111f)는 비상시 제2 외부공급관(111b)을 차단하여 연료가스 및 산소 공급이 중단되도록 하는 차단밸브이다.
한편, 상기 스택(400)에서 미반응된 가스는 상기 연료개질버너(100)의 공급관(110)으로 회수되어 연료로 재활용될 수 있다. 특히, 미반응된 가스가 회수되는 회수관(500)은 상기 예열모듈(160) 내에서 상기 공급관(110)과 연결됨으로 써, 공급관을 통과하는 연료가스 등과 함께 예열되고, 혼합모듈(120)로 공급되어 연료개질버너의 연료로서 활용된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 연료개질버너 110 : 공급관
120 : 혼합모듈 130 : 분산모듈
140 : 연소촉매모듈 150 : 점화모듈
160 : 예열모듈 170 : 배기관
200 : 메탄가스 공급부 300 : 개질부
310 : 개질연료이송관 400 : 스택
500 : 회수관

Claims (10)

  1. 메탄가스를 공급하는 메탄가스 공급부; 상기 메탄가스 공급부로부터 공급되어온 메탄가스를 개질하여 수소가스를 발생시키고 이를 공급하는 개질부; 및 상기 개질부로부터 공급되어온 수소와 산소공급원으로부터 공급되는 산소를 전기 화학적인 반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 스택;을 포함하며,
    상기 개질부는 개질연료가 이송되는 개질연료 이송관; 상기 개질연료 이송관으로 이송되는 개질연료를 열개질하기 위하여 열원을 제공하는 연료개질버너로 구성되되,
    상기 연료개질버너는,
    최하층을 구성하고 있으며, 공급관으로부터 공급되어온 연료가스, 부생가스 및 공기를 혼합할 수 있도록 혼합부재가 내장된 혼합모듈;
    상기 혼합모듈과 연통되도록 상부에 적층된 채, 상기 혼합모듈에서 혼합되어 상승하는 혼합가스를 분산시켜주는 분산모듈;
    상기 분산모듈의 상부에 연통되게 적층되며, 그 내부에 상기 혼합가스를 촉매반응에 의해 연소시키기 위한 고온 연소촉매가 충진된 연소촉매모듈;
    상기 연소촉매모듈의 상부에 연통되게 적층되며, 연소반응을 위해 열원을 제공하는 점화수단이 마련된 점화모듈;
    상기 점화모듈의 상측에 연통되게 적층되며, 상기 공급관이 내부를 관통하도록 지지함으로써 내부의 고온 연소가스에 의해 공급관을 통과하는 혼합가스가 예열되도록 하는 예열모듈;로 구성되며,
    상기 개질연료 이송관은 상기 예열모듈 내에 위치하여, 예열모듈 내의 분위기 열에 의해 개질연료 이송관 내의 연료가 개질되도록 하는 것을 더 포함하는, 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택에서 미반응된 된 가스는 상기 연료개질버너의 공급관으로 회수되어 연료로 재활용되는 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공급관은 외부공급관 및 내부공급관으로 구성되며,
    상기 내부공급관은 상기 예열모듈의 예열통 측면을 수평으로 관통한 후, 상기 혼합부재를 향해 수직 하향으로 절곡되게 설치된 것을 특징으로 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 외부공급관은,
    부생가스 및 산소가 공급되는 제1 외부공급관;
    연료가스 및 산소가 공급되는 제2 외부공급관;
    상기 제1, 2 외부공급관이 하나로 병합되는 병합관;으로 구성되되,
    상기 제1 외부공급관 상에는 연료가스, 부생가스 및 산소를 강제 송풍하기 위한 메인 송풍기가 설치된 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 외부공급관에는 상기 메인 송풍기를 대체하기 위한 서브 송풍기가 보조공급관을 매개로 설치된 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 예열모듈의 상측에는 연소가스를 외부로 배기하기 위한 배기관이 연결된 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 모듈은 플랜지 이음에 의해 결합된 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 점화수단은 스파크형 점화봉, 파일럿 버너, 전기히터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 고온 연소촉매는 질산염 전이 금속, 질산염 알칼리 토금속 및 질산염 알루미늄을 함유하되, 상기 질산염 알칼리 토금속은 칼슘, 스트론튬, 바륨 또는 라듐 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 질산염 전이 금속/질산염 알칼리 토금속/질산염 알루미늄의 몰 비는 (1-x)/(1-y)/11이되, 상기 x는 0.1 내지 0.5 범위의 수이고, 그리고 y는 0.1 내지 0.5 범위의 수인 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매를 이용한 연료개질버너를 포함하는 연료전지 시스템.
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