KR20230146245A - 연료전지 시스템 off-gas 촉매연소기 및 이를 포함하는 연료전지 장치 - Google Patents

연료전지 시스템 off-gas 촉매연소기 및 이를 포함하는 연료전지 장치 Download PDF

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KR20230146245A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 연소 반응을 일으키는 제1 연소 촉매가 코팅된 제1 연소 촉매 담체를 포함하는 제1 연소부 및 상기 제1 연소부와 연결되며, 제2 연소 반응을 일으키는 제2 연소 촉매가 코팅된 제2 연소 촉매 담체를 포함하는 제2 연소부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 OFF-GAS 촉매연소기 및 이를 포함하는 연료전지 장치가 개시된다.

Description

연료전지 시스템 OFF-GAS 촉매연소기 및 이를 포함하는 연료전지 장치 {CATALYTIC COMBUSTOR FOR FUEL CELL SYSTEM OFF-GAS AND FUEL CELL APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 연료전지 시스템 OFF-GAS 촉매연소기 및 이를 포함하는 연료전지 장치에 관한 것이다.
촉매연소기는 가연성 가스를 연소하여 고온의 연소열을 발생시키는 장치이다. 이러한 촉매연소기에서 생성된 연소열은 수소를 생산하는 연료 개질 장치 또는 난방 등에 이용될 수 있다.
종래의 촉매연소기는 운전 초기에 연료를 점화하기 위한 점화기를 구비하였으나, 점화기를 이용하는 경우 연료 점화 시 연료 배관이나 연료탱크에 화재가 발생할 수 있다.
또한, 촉매연소기의 하우징은 주로 내구성과 내열성이 우수한 스테인레스강을 사용하는데, 스테인레스강을 사용하는 경우 고온의 산화 분위기에서 철을 포함하는 가루가 발생하게 되고, 이로 인해 배기측의 배관을 막게 된다.
그 결과, 촉매연소기 내부의 압력이 증가하게 되고, 열점(hot spot)이 발생하게 된다.
이에 따라, 연소 촉매의 열화로 촉매연소기의 효율이 낮아지고, 수명이 짧아지는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는, 촉매연소기에서 가연성 가스의 연소가 수행되는 과정에서 착화를 방지하고 동시에 연소열 분포를 균일하게 하여 촉매 열화를 방지하는 것을 포함한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따른 촉매연소기는, 제1 연소 반응을 일으키는 제1 연소 촉매가 코팅된 제1 연소 촉매 담체를 포함하는 제1 연소부 및 상기 제1 연소부와 연결되며, 제2 연소 반응을 일으키는 제2 연소 촉매가 코팅된 제2 연소 촉매 담체를 포함하는 제2 연소부를 포함할 수 있다.
또한, 내측에 수용 공간을 포함하여, 상기 제1 연소부와 상기 제2 연소부를 수용하는 하우징, 상기 하우징의 일측에 연결되어, 상기 제1 연소부로 가연성 가스를 공급하는 연료 공급부, 상기 하우징의 일면에 끼워지며, 상기 제1 연소부로 혼합기체를 공급하는 혼합기체 공급부, 상기 하우징의 외측에 마련되어, 상기 하우징을 가열하는 히터 및 상기 히터에 열원을 공급하는 열원 공급부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 연소 촉매 및 상기 제2 연소 촉매는, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru) 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 연소 촉매 담체 및 상기 제2 연소 촉매 담체는, 다공성 세라믹 물질을 포함하여 형성되고, 격벽에 의해 구획되는 복수의 셀을 포함하는 하니컴 구조일 수 있다.
여기서, 상기 제1 연소 촉매 담체의 제1 셀 밀도는, 상기 제2 연소 촉매 담체의 제2 셀 밀도 보다 작을 수 있다.
여기서, 상기 제1 연소 촉매 담체의 제1 기공률은, 상기 제2 연소 촉매 담체의 제2 기공률 보다 작을 수 있다.
여기서, 상기 제1 연소 촉매 담체의 상기 하우징이 연장되는 방향으로의 제1 길이는, 상기 제2 연소 촉매 담체의 상기 하우징이 연장되는 방향으로의 제2 길이 보다 작을 수 있다.
여기서, 상기 제1 연소 촉매 담체에 코팅된 상기 제1 연소 촉매의 제1 코팅량은, 상기 제2 연소 촉매 담체에 코팅된 상기 제2 연소 촉매의 제2 코팅량 보다 작을 수 있다.
여기서, 상기 제1 연소 촉매 담체와 상기 제2 연소 촉매 담체는, 상기 가연성 가스의 조건에 기초하여 상기 셀 밀도가 다르게 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 촉매연소기를 포함하는 연료전지 장치는, 제1 연소 반응을 일으키는 제1 연소 촉매가 코팅된 제1 연소 촉매 담체를 포함하는 제1 연소부 및 상기 제1 연소부와 연결되며, 제2 연소 반응을 일으키는 제2 연소 촉매가 코팅된 제2 연소 촉매 담체를 포함하는 제2 연소부를 포함하고, 여기서, 상기 제1 연소 촉매 담체와 상기 제2 연소 촉매 담체는 서로 다른 셀 밀도로 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예 및 여러 측면에 의하면, 가연성 가스의 연소 시 촉매연소기의 입구에서 착화 되지 않도록 함으로써 연소 촉매의 내구성을 향상시킴과 동시에 연소열 분포를 균일하게 하여 열화를 방지할 수 있다.
또한 급격한 발열에 의한 촉매연소기의 손상을 방지하여 안전하게 가연성가스를 연소할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기를 포함하는 연료전지 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기의 연소 촉매 담체를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉매연소기를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 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 붙였다.
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 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지 시스템 OFF-GAS 촉매연소기 및 이를 포함하는 연료전지 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기를 포함하는 연료전지 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는 촉매연소기(10), 연료 전지(20) 및 CO 제거기(30)를 포함한다.
연료전지 장치(1)는 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다.
촉매연소기(10) 및 CO 제거기(30)는 연료 개질 장치에 포함되는 장치로서, 연료 전지(20)에 수소를 공급하기 위해 탄화수소계 연료를 수소로 개질하는 장치이다.
연료 전지(20)는 전지 스택으로서, 연료 개질 장치로부터 공급받은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생산한다.
촉매연소기(10)는 가연성 가스와 같은 연료를 촉매와 반응시켜 연소되도록 하는 장치이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매연소기(10)는 연소용 연료의 연소 반응을 통하여 연료 개질 장치에서의 화학반응에 필요한 열을 제공한다. 연료 개질 장치에서의 개질 반응을 위해, 개질용 연료 공급라인(11)을 통해 개질용 가스가 공급된다. 개질용 가스는 LNG, LPG 등과 같은 탄화수소 가스가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기(10)는 하기 도 2 내지 도 4를 이용하여 상세히 설명한다.
또한, 연료 개질 장치에는 개질용 가스와의 개질 반응을 위해 물이 공급된다. 물은 개질용 연료 공급라인(11)으로 투입될 수 있다.
촉매연소기(10)에서의 연소 반응을 위해, 연소용 연료 공급라인(12)을 통해 연소용 가스가 공급된다. 연소용 가스는 개질용 가스와 마찬가지로 LPG, LNG 등과 같은 탄화수소 가스일 수 있다. 또한, 촉매연소기(10)에는 연소용 가스의 연소를 위해 혼합기체가 공급된다. 혼합기체는 연소용 연료 공급라인(12)으로 공급될 수 있다.
CO 제거기(30)에서는 개질 반응에 의해 불가피하게 발생된 CO가 제거된다. CO 제거기(30)를 통하여, CO 농도가 낮은 개질 가스가 연료 전지(20)로 공급될 수 있다.
연료 전지(20)는 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질을 포함한다. 연료 개질 장치로부터 애노드에 공급되는 수소와, 캐소드에 공급되는 혼합기체에 포함된 산소가 전기화학 반응함으로써, 전기가 생성된다.
이때, 애노드에 공급된 수소 중 일부는 반응하지 않으며, 애노드에서 반응하지 않은 수소가 그대로 외부로 배출된다. 이러한 애노드에서 반응하지 않고 배출되는 수소를 애노드 오프 가스(Anode Off Gas; AOG)라 한다. AOG에는 수소 이외 수분이 포함되며, CO2, N2 등도 포함될 수 있다.
한편, AOG가 그대로 배출되는 것은 수소 낭비라는 문제점을 가져온다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 촉매연소기(10)는 생성된 AOG를 이용하게 된다. 이 경우, 촉매연소기(10)에는 연료용 가스인 탄화수소 가스와 AOG가 함께 공급된다.
다만, AOG에 포함된 수분을 촉매연소기(10)에서 증발시키는 데에는 많은 열이 필요하다. 이는 촉매연소기(10)에서의 연소 효율을 저하시키는 요인이 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 촉매연소기(10)는 가연성 가스의 연소가 수행되는 과정에서 착화를 방지하고 동시에 연소열 분포를 균일하게 하여 촉매 열화를 방지하는 구조를 이용함으로써 연료전지 장치(1)에서 AOG를 사용하더라도 안전하게 가연성 가스를 연소할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기를 나타낸 도면이다.
촉매연소기(10)는 가연성 가스와 같은 연료를 촉매와 반응시켜 연소되도록 하는 장치이며, 반응이 촉매의 표면에서 발생되기 때문에 종래기술의 화염 연소 장치와 비교하여 낮은 온도에서 반응이 이루어지고, 연료의 농도가 희박한 경우에도 안정적으로 연소 반응이 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기(10)는 연료 개질 장치용 촉매연소기에 관한 것이다.
구체적으로, 가연성 가스(H2, CH4, CO 등)의 성분 및 농도에 기초하여 연소 촉매의 담체로 사용되는 하니컴 구조의 셀밀도를 조절함으로써, 가연성 가스로 인한 촉매 착화(ignition)를 방지하는 것은 물론 연소 촉매의 열화를 방지할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기(10)는 연소부(100), 하우징(200), 연료 공급부(300), 혼합기체 공급부(400) 및 배출구(500)를 포함한다.
연소부(100)는 연료가 공급되면, 연료 중에 함유된 가연성 가스(H2, CH4, CO 등)와 혼합기체가 촉매 표면에서 연소 반응을 일으킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기(10)에서 연소부(100)는 제1 연소부(110), 제2 연소부(120) 및 제3 연소부(130)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기(10)는 연소부(100)가 순차적으로 연소 반응을 일으킬 수 있도록 다단 구성으로 형성될 수 있다.
제1 연소부(110)는 제1 연소 반응을 일으키는 제1 연소 촉매가 코팅된 제1 연소 촉매 담체(111)를 포함한다.
구체적으로, 제1 연소 촉매(미도시)는 제1 연소 촉매 담체(111)에 코팅이 완료된 상태로써, 하기 도 3에 나타난 바와 같이, 제1 연소 촉매 담체(111)의 격벽에 코팅되어 일체로 형성된다.
제2 연소부(120)는 제1 연소부와 연결되며, 제2 연소 반응을 일으키는 제2 연소 촉매가 코팅된 제2 연소 촉매 담체(121)를 포함한다.
또한, 제3 연소부(130)는 제2 연소부와 연결되며, 제3 연소 반응을 일으키는 제3 연소 촉매가 코팅된 제3 연소 촉매 담체(131)를 포함한다.
여기서, 제1 연소 촉매 담체(111)는, 다공성 세라믹 물질을 포함하여 형성되고, 격벽(112)에 의해 구획되는 복수의 셀(113)을 포함하는 하니컴 구조일 수 있다.
여기서, 하니컴 구조는 압력감소를 줄이고 표면적을 넓히기 위해 내부에 벌집(honeycomb) 모양의 채널구조를 갖는 세라믹 또는 금속 담체를 사용하고 촉매 담체 내부의 채널 내벽에 촉매가 포함된 물질을 코팅한 구조를 의미한다.
하니컴 구조를 구분하는 방법으로는 셀의 벽두께와 단위면적당 셀 수(셀 밀도) 표시가 일반적이다. 벽두께는 mil 단위(1mil은 1/1000인치)로 셀 밀도는 1평방 인치당의 개수(cpsi: cell per square inch)를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 다공성 세라믹 물질은 예를 들어 코디어라이트, SiC 및 Aluminum titanate중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이외에도, 각 셀간의 유체 유동이 용이하도록 마련되는 소재를 이용할 수 있다.
또한, 제2 연소 촉매 담체(121)는, 다공성 세라믹 물질을 포함하여 형성되고, 격벽(122)에 의해 구획되는 복수의 셀(123)을 포함하는 하니컴 구조일 수 있다.
또한, 제2 연소 촉매 담체(131)는, 다공성 세라믹 물질을 포함하여 형성되고, 격벽(132)에 의해 구획되는 복수의 셀(133)을 포함하는 하니컴 구조일 수 있다.
제1 연소 촉매 담체(111) 및 제2 연소 촉매 담체(121)의 구조는 하기 도 3에서 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기(10)에서, 제1 연소 촉매 및 제2 연소 촉매는, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru) 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
또한, 추가되는 제3 연소 촉매는, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru) 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 연소부(100)는 제1 연소부(110), 제2 연소부(120) 및 제3 연소부(130)를 포함하는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 이용하고자 하는 가연성 가스(H2, CH4, CO 등)의 성분 및 농도에 기초하여 연소부(100)의 개수와 구조를 변경할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기(10)에서, 제1 연소 촉매 담체(111)와 제2 연소 촉매 담체(121)는 서로 다른 셀 밀도로 형성된다.
또한, 제3 연소 촉매 담체(131)도 제1 연소 촉매 담체(111) 및 제2 연소 촉매 담체(121)와 서로 다른 셀 밀도로 형성될 수 있다.
하우징(200)은 내측에 수용 공간(210)을 포함하여, 제1 연소부(110)와 제2 연소부(120)를 수용할 수 있다. 또한, 제3 연소부(130)를 수용할 수도 있다.
연료 공급부(300)는 하우징(200)의 일측에 연결되어, 제1 연소부(110)로 가연성 가스를 공급한다.
이 때, 가연성 가스는 도 1에서 설명한 바와 같이, 애노드에서 반응하지 않고 배출되는 AOG로서, 수소 이외 수분이 포함되며, CO2, N2 등도 포함될 수 있다.
혼합기체 공급부(400)는 하우징(200)의 일면에 끼워지며, 제1 연소부(110)로 혼합기체를 공급한다.
배출구(500)는 하우징(200)의 타측에 연결되어, 반응 결과에 의해 생성된 CO2와 발생열을 외부로 공급한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기(10)는 도 2 하단의 화살표 방향에 나타난 바와 같이, 연료 공급부(300)에서 배출구(500) 측으로 순차적으로 연소 반응이 진행된다.
구체적으로, 제1 연소부(110)에서 먼저 연소 반응이 진행되고, 이후에 제2 연소부(120)에서 연소 반응이 진행되며, 상황에 따라 제3 연소부(130)를 포함하여 제3 연소부(130)에서 연소 반응이 진행될 수 있다.
이에 따라, 먼저 농후한 가연성 가스와 혼합기체가 제1 연소부(110)를 통과하면서 연소되고, 이후 희박한 가연성 가스와 혼합기체가 제2 연소부(120)를 통과하면서 연소하게 되는데, 연소 촉매를 다단으로 구성하여 가연성 가스의 연소로 인한 촉매 착화(ignition)를 방지할 수 있고, 연소열 분포를 균일하게 하여 연소 촉매의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 하우징(200)의 외측에 마련되어, 하우징을 가열하는 히터(미도시) 및 히터에 열원을 공급하는 열원 공급부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기의 연소 촉매 담체를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 연소 촉매 담체(111)는, 다공성 세라믹 물질을 포함하여 형성되고, 격벽(112)에 의해 구획되는 복수의 셀(113)을 포함하는 하니컴 구조일 수 있다.
또한, 다공성 세라믹 물질이 외주면(114)을 둘러싸는 구조일 수 있다.
제2 연소 촉매 담체(121)는, 다공성 세라믹 물질을 포함하여 형성되고, 격벽(122)에 의해 구획되는 복수의 셀(123)을 포함하는 하니컴 구조일 수 있다.
또한, 다공성 세라믹 물질이 외주면(124)을 둘러싸는 구조일 수 있다.
여기서, 제1 연소 촉매 담체(111)와 제2 연소 촉매 담체(121)는 도 3에 나타난 바와 같이 원통형으로 마련될 수 있으며, 하우징(200)의 형상에 따라 사각기둥 또는 육각기둥 형태의 다각기둥 형태로도 마련될 수도 있다.
구체적으로, 도 3에 나타난 바와 같이, 제1 연소 촉매 담체(111)의 제1 셀 밀도는, 제2 연소 촉매 담체(121)의 제2 셀 밀도 보다 작을 수 있다.
예를 들어, 제1 연소 촉매 담체(111)의 제1 셀 밀도는 100 cpsi이고, 제2 연소 촉매 담체(121)의 제2 셀밀도는 200 cpsi일 수 있다.
또한, 순차적으로 증가시켜 제3 연소 촉매 담체(131)의 제3 셀밀도는 400 cpsi일 수 있다.
또한, 제1 연소 촉매 담체(111)의 제1 기공률은, 제2 연소 촉매 담체(121)의 제2 기공률 보다 작을 수 있다.
여기서, 기공률은, 연소 촉매 담체에 들어있는 기공의 전용 부피에 대한 부피 비율을 말한다.
또한, 도 2에 나타난 바와 같이, 제1 연소 촉매 담체(111)의 하우징이 연장되는 방향으로의 제1 길이(L1)는, 제2 연소 촉매 담체(121)의 하우징이 연장되는 방향으로의 제2 길이(L2) 보다 작을 수 있다.
또한, 제3 연소 촉매 담체(131)의 하우징이 연장되는 방향으로의 제3 길이(L3)는 제2 길이(L2) 보다 작을 수 있다.
또한, 제1 연소 촉매 담체(111)에 코팅된 제1 연소 촉매의 제1 코팅량은, 제2 연소 촉매 담체(121)에 코팅된 제2 연소 촉매의 제2 코팅량 보다 작을 수 있다.
여기서, 제1 연소 촉매 담체(111)와 제2 연소 촉매 담체(121)는, 가연성 가스의 조건에 기초하여 셀 밀도가 다르게 형성될 수 있다.
처음 연소 반응이 일어나는 제1 연소부(110)의 제1 연소 촉매 담체(111)의 셀 밀도가 작게 형성됨으로써, 가연성 가스의 연소 시 입구에서 착화 되지 않도록 하여 연소 촉매의 내구성을 향상시킴과 동시에 연소열 분포를 균일하게 하여 열화를 방지할 수 있다.
또한, 급격한 발열에 의한 촉매연소기의 손상을 방지하여 안전하게 가연성가스를 연소할 수 있다.
도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 하니컴 형태의 연소 촉매는 종래의 경우 셀밀도가 높은 하니컴 (300 cpsi)에 연소 촉매를 코팅하여 사용하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기(10)는 셀밀도가 낮은 하니컴 (100 cpsi)부터 순차적으로 셀밀도를 증가하여 농후한 가연성 가스가 연소촉매 입구에서 모두 연소되는 것을 억제시킬 수 있다.
따라서 농후한 가연성가스가 연소 촉매 입구에서 모두 연소되어 촉매 표면의 온도가 1000℃ 이상 상승하는 것을 억제하므로 연소촉매의 열화를 억제함과 동시에 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
여기서, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 수소연료 활용율을 70%로 가정하였을 경우, 양극배출가스(AOG) 조성은 H2 (18.9%), CO (2.7%), CO2 (14.2%), Steam (64.2%) 일 수 있다.
이처럼 수소를 포함한 농후 가연성 가스는 제1 연소부(110)에서 연소되고, 수소농도 5% 이하 감소된 희박 가연성가스는 제2 연소부(120)에서 연소된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고체산화물 연료전지 (SOFC)의 양극 배출가스 온도는 약 500℃ 정도이고, 제1 연소부(110)에서 수소를 포함한 농후 가연성 가스 연소로 제1 연소부(110) 후단의 온도는 700℃ 이고, 제2 연소부(120)에서 희박 가연성 가스 연소로 제2 연소부(120) 후단의 온도는 800℃일 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉매연소기를 나타낸 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1 연소 촉매 담체(111)와 제2 연소 촉매 담체(121)는, 하우징(200)의 내측에 조립 가능하도록 수용될 수 있다.
이에 따라, 사용자는 가연성 가스의 조건에 기초하여 다양한 셀 밀도 구조를 갖는 연소 촉매 담체들을 조립할 수 있다.
예를 들어, 제1 연소 촉매 담체(111)와 제2 연소 촉매 담체(121)를 하우징(200) 내측에 조립하고, 제3 연소 촉매 담체(131) 보다 더 큰 셀 밀도를 갖는 제4 연소 촉매 담체(141)를 하우징(200)의 배출구 측에 조립시킬 수 있다.
이에 따라, 양극배출가스(AOG) 조성이 바뀌어도, 촉매연소기 자체를 교체하지 않고, 연소부를 교체함으로써 효율적으로 이용할 수 있다.
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 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 연료전지 장치
10: 촉매연소기
20: 연료 전지
100: 연소부
200: 하우징
300: 연료 공급부
400: 혼합기체 공급부
500: 배출구

Claims (10)

  1. 제1 연소 반응을 일으키는 제1 연소 촉매가 코팅된 제1 연소 촉매 담체를 포함하는 제1 연소부; 및
    상기 제1 연소부와 연결되며, 제2 연소 반응을 일으키는 제2 연소 촉매가 코팅된 제2 연소 촉매 담체를 포함하는 제2 연소부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매연소기.
  2. 제1항에 있어서,
    내측에 수용 공간을 포함하여, 상기 제1 연소부와 상기 제2 연소부를 수용하는 하우징;
    상기 하우징의 일측에 연결되어, 상기 제1 연소부로 가연성 가스를 공급하는 연료 공급부;
    상기 하우징의 일면에 끼워지며, 상기 제1 연소부로 혼합기체를 공급하는 혼합기체 공급부;
    상기 하우징의 외측에 마련되어, 상기 하우징을 가열하는 히터; 및
    상기 히터에 열원을 공급하는 열원 공급부를 더 포함하는 촉매연소기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연소 촉매 및 상기 제2 연소 촉매는,
    백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru) 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매연소기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연소 촉매 담체 및 상기 제2 연소 촉매 담체는,
    다공성 세라믹 물질을 포함하여 형성되고, 격벽에 의해 구획되는 복수의 셀을 포함하는 하니컴 구조인 것을 특징으로 하는 촉매연소기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연소 촉매 담체의 제1 셀 밀도는,
    상기 제2 연소 촉매 담체의 제2 셀 밀도 보다 작은 것을 특징으로 하는 촉매연소기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연소 촉매 담체의 제1 기공률은,
    상기 제2 연소 촉매 담체의 제2 기공률 보다 작은 것을 특징으로 하는 촉매연소기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 연소 촉매 담체의 상기 하우징이 연장되는 방향으로의 제1 길이는,
    상기 제2 연소 촉매 담체의 상기 하우징이 연장되는 방향으로의 제2 길이 보다 작은 것을 특징으로 하는 촉매연소기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연소 촉매 담체에 코팅된 상기 제1 연소 촉매의 제1 코팅량은,
    상기 제2 연소 촉매 담체에 코팅된 상기 제2 연소 촉매의 제2 코팅량 보다 작은 것을 특징으로 하는 촉매연소기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연소 촉매 담체와 상기 제2 연소 촉매 담체는,
    가연성 가스의 조건에 기초하여 셀 밀도가 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 촉매연소기.
  10. 촉매연소기를 포함하는 연료전지 장치에 있어서,
    상기 촉매연소기는,
    제1 연소 반응을 일으키는 제1 연소 촉매가 코팅된 제1 연소 촉매 담체를 포함하는 제1 연소부; 및
    상기 제1 연소부와 연결되며, 제2 연소 반응을 일으키는 제2 연소 촉매가 코팅된 제2 연소 촉매 담체를 포함하는 제2 연소부를 포함하고,
    상기 제1 연소 촉매 담체와 상기 제2 연소 촉매 담체는 서로 다른 셀 밀도로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
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