연료전지용 개질장치{REFORMER OF FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명에 따른 개질기를 갖는 연료전지 시스템의 구성도;

도 2는 본 발명에 따라서 CO 제거부가 경사지게 설치된 개질기의 구성도;

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 개질기의 단면도;

도 4는 종래 예에 따른 변성장치의 단면도;

도 5는 종래 다른 예에 따른 CO 변성장치를 구비한 연료전지 시스템의 구성도;

도 6은 종래 또 개질장치의 구성도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 연료 공급부

20, 120 : 개질기

120c : 증발기

120d : 연소부

22, 122 : 개질 반응부

24, 124a, 124b : 수성가스 변환부

26, 126 : 선택적 산화부

30 : 전기 발생부

본 발명은 수소함유연료를 개질하여 생성되는 개질가스에 함유되어 있는 일산화탄소를 제거하기 위한 시프트 반응부를 구비한 연료전지용 개질장치에 관한 것이고, 특히 개질반응부로부터 전달되는 열에너지의 영향을 받지 않도록 개질반응부로부터 개질가스의 직진 진행방향으로부터 소정의 경사각으로 경사지게 설치되어 상기 개질반응부에 유체소통이 가능하게 연결된 시프트 반응부를 구비한 연료전지용 개질장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성하는 발전장치로서, 전력수요 증가에 따른 전원확보의 어려움과 날로 증가되는 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 연구개발되고 있다. 수소는 대체적으로 메탄올, 에탄올 등의 알코올계 연료; 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소계 연료 또는 액화천연가스 등의 천연가스계 연료;와 같은 수소함유연료를 개질기에서 개질함으로써 얻어질 수 있다.

개질기와 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제2001-0104711호를 참조하면, 개질반응부(6)에서 생성된 수소가 풍부한 개질가스를 변성촉매에 의해 수성가스 시프트 반응시켜 변성하는 시프트 반응부(10)를 보유한 변성장치(도 4 참조)가 개시되어 있다. 이러한 변성장치에 있어서, 시프트 반응부(10)는 개질반응부(6)로부터의 개질가스를 직접 개질가스통로에 도입하여 원료가스와 열교환하면서 시프트 반응을 행하도록 구성된다. 그러나, 이러한 변성장치에 있어서 개질반응부(6)와 시프트 반응부(10)는 단열재(19)에 의해서 한정되는 동일 공간에 위치하게 된다. 그 결과, 시프트 반응부(10)는 개질반응부(6)로부터 공기 대류에 의한 열전달 효과에 의해서 전달되는 열에너지의 영향을 받게 된다.

또한, 일본 공개특허공보 제2001-115172호에는 고온 변성기(7)와 저온 변성기(9)와 열교환기(8)가 하나의 용기(25)에 설치되어 있는 CO 변성장치를 갖는 연료전지(도 5 참조)가 개시되어 있다. 이러한 연료전지에 있어서, CO 변성장치가 연료개질기(5)로부터 배출되는 개질가스의 직진형 진행방향에 위치하여 연료개질기(5)로부터 전달되는 열에너지의 영향을 직접 받게 되었다.

일본 공개특허공보 제1999-043303호에는 개질반응부(1)에 열에너지를 공급하는 주연소부(2)와, 개질가스 중의 CO 농도를 수성 시프트 반응에 따라서 감소시키는 시프트 반응부(3)를 구비한 개질장치(도 6 참조)가 개시되어 있다. 이러한 개질장치에 있어서, 주연소부의 배가스가 시프트 반응부에 전달되어 가열시키는 문제 점이 있었다.

본 발명은 상술된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 개질반응부로부터 공기 대류에 의한 열전달 효과에 의한 열에너지의 영향을 받지 않도록 개질반응부의 개질가스가 진행하는 진행방향으로부터 소정의 경사각으로 경사지게 설치되어 상기 개질반응부에 유체소통이 가능하게 연결된 시프트 반응부를 구비한 연료전지용 개질장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 개질반응부에 열에너지를 공급하기 위한 연소실의 배가스가 배출되는 배출방향으로부터 소정의 경사각으로 경사지게 설치된 시프트 반응부를 구비한 연료전지용 개질장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 연료전지용 개질장치는 수소함유연료를 개질하여 수소함유 개질가스를 생성하는 개질반응부와, 상기 개질반응부에서 생성되는 개질가스에 함유된 일산화탄소를 제거하는 CO 제거부를 갖고, 상기 CO 제거부는 상기 개질반응부로부터 배출되는 개질가스의 진행경로로부터 소정의 경사각으로 경사지게 설치되어 상기 개질반응부에 유체소통이 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 개질가스의 진행경로는 상기 개질반응부의 유입부와 배출부를 연결하는 직선의 제1연장선에 평행하다.

상기 CO 제거부를 유동하는 유체의 진행방향은 상기 CO 제거부의 유입부와 배출부를 연결하는 직선의 제2연장선에 평행하고, 상기 제2연장선은 상기 제1연장선으로부터 소정의 경사각으로 경사지게 유지된다.

상기 CO 제거부가 수성가스 변환부와 선택적 산화부로 이루어진 경우에 상기 제2연장선은 상기 수성가스 변환부의 유입부와 배출부를 연결하는 직선의 연장선이고, 상기 수성가스 변환부가 고온의 변환부와 저온의 변환부로 구성된 경우에 상기 제2연장선은 상기 저온의 변환부의 유입부와 배출부를 연결하는 직선의 연장선이다.

상기 개질반응부의 배출부와 상기 저온의 변환부의 유입부를 유체소통이 가능하게 연결하기 위한 곡관을 더 포함한다.

상기 개질반응부에 열에너지를 공급하기 위한 연소부를 더 포함하고, 상기 상기 연소부에서 배출되는 배가스의 진행경로와 상기 개질가스의 진행경로는 실질적으로 평행하다.

상기 경사각(θ)은 0°〈θ〈180°의 관계식을 만족시킨다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 명세서에서 이에 한정되지는 않지만 수소함유연료로서 메탄올, 에탄올 등의 알코올계 연료; 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소계 연료 또는 액화천연가스 등의 천연가스계 연료 등이 사용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 연료전지는 개질하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 공급부(10)과, 연료 공급부(10)로부터 공급되는 수소함유연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기(20)와, 개질기(20)로부터 공급되는 수소와 산화제의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 전기 발생부(30)를 갖는다. 이때, 전기 발생부(30)에 공급되는 산화제는 별도의 저장수단에 저장된 순수 산소 또는 산소함유공기로 이루어지고, 이러한 산화제는 공기 공급부로부터 전기 발생부(30)에 공급된다. 한편, 하기에 설명되는 바와 같이 산화제는 상기 공기 공급부로부터 개질기의 선택적 산화부에 공급될 수 있다.

연료 공급부(10)에 저장되어 있는 수소함유연료의 일부는 개질원료로서 개질기(20)의 개질반응부(22)로 유입되고, 수소함유연료의 다른 일부는 연소연료로서 개질기(20)를 가열하기 위한 열원(미도시)으로 유입될 수 있다.

본 발명에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 개질기(20)는 연료 공급부(10)로부터 공급되는 수소함유연료, 즉 개질연료로부터 수소성분이 주성분인 개질가스를 생성하는 개질반응부(22)와, 개질반응부(22)에 유체소통이 가능하게 연결되어 개질가스에 함유되어 있는 일산화탄소를 제거하는 CO 제거부를 포함한다. 상기 CO 제거부는 수성가스 변환부(24)와 선택적 산화부(26)로 이루어질 수 있다.

한편, 본 명세서에 있어서 '직진의 진행방향'은 유체가 유입되고 배출되는 유입부와 배출부를 연결하는 직선의 연장선에 평행한 방향을 의미한다. 즉, 개질반응부(22)에 있어서, 그의 양단부에는 수소함유연료가 유입되는 연료 유입부(22a)와 개질가스가 배출되는 배출부(22b)가 제공되며, 이때, 개질가스의 진행방향은 화 살표(A)로 표시된 바와 같이 연료 유입부(22a)와 배출부(22b)를 연결하는 직선의 연장선에 평행하게 이루어진다. 실질적으로, 개질반응부(22)에서 생성된 개질가스는 개질반응부(22)의 배출부(22b)로부터 직진의 진행방향(A)을 따라서 배출된다.

개질반응부(22)에는 개질촉매(미도시)가 제공된다. 개질반응부(22)는 이에 한정되지는 않지만, 수증기 개질방식(SR: steam reforming), 자열개질방식(ATR: autothermal reforming) 및 부분산화방식(POX: partial oxidation)을 이용하여 수소함유연료를 개질시킨다. 부분산화방식과 자열개질방식은 초기시동 및 부하변동에 따른 응답특성이 우수한 반면에 수증기 개질방식은 수소생산효율 측면에서 우수하다는 장점이 있다.

수증기 개질방식은 촉매 상에서 수소함유연료와 수증기의 화학반응에 의해서 수소를 주성분으로 하는 개질가스를 얻는다. 이러한 수증기 개질방식은 개질가스 공급이 안정적이여서 상대적으로 고농도의 수소를 얻을 수 있으므로 가장 보편적으로 사용된다.

따라서, 개질반응부(22)가 예를 들어 수증기 개질방식을 채용하고 있는 경우에, 연료 공급부(10)으로부터 공급되는 수소함유연료의 일부, 즉 개질연료는 물공급부(미도시)로부터 공급되는 물과 함께 개질촉매에서의 수증기 개질반응을 통하여 수소가 풍부한 개질가스로 개질된다. 이때, 개질촉매로는 담체에 금속을 담지한 것을 예시할 수 있다. 담지금속은 루테늄, 로듐, 니켈 등이 있다. 담체로는 이산화지르코늄, 알루미나, 실리카겔, 활성 알루미나, 이산화티탄, 제올라이트, 활성탄 등이 사용될 수 있다. 상술된 개질가스에는 수소와 함께 미량의 이산화탄소, 메탄 가스 및 일산화탄소를 포함하게 된다. 일산화탄소는 특히 전기 발생부(30)의 전극으로서 일반적으로 사용되는 백금촉매를 피독시켜 연료전지 시스템의 성능을 저하시키므로 이를 제거할 필요가 있다.

CO 제거부는 개질반응부(22)의 배출부(22b)로부터 배출되는 개질가스의 직진의 진행방향(A)으로부터 소정의 경사각으로 경사지게 설치되어 개질반응부(22)에 유체소통이 가능하게 연결된다. 이때, 상기 CO 제거부를 따라서 진행하는 개질가스의 진행방향(B)은 CO 제거부의 유입부와 배출부를 연결하는 직선의 연장선에 평행하게 유지된다. 결과적으로, CO 제거부를 따라서 진행하는 개질가스의 진행방향(B)과 개질반응부(22)로부터 배출되는 개질가스의 직진의 진행방향(A)의 사이에는 소정의 경사각(θ)이 유지된다. 이러한 경사각(θ)은 0°〈θ〈180°의 관계를 유지하고, 바람직하게 (최적의 경사각도를 한정하여 주시기 바랍니다)

일산화탄소를 제거하기 위한 CO 제거부는 수성가스 전환 촉매반응과 선택적 산화 촉매반응이 각각 수행되는 수성가스 변환부(24)와 선택적 산화부(26)를 포함한다. 수성가스 변환부(24)에는 시프트 촉매(미도시)가 제공되고, 선택적 산화부(26)에는 산화촉매(미도시)가 제공된다. 그리고, 선택적 산화부(26)에는 선택적 산화 반응에 필요한 산화제가 상기 공기 공급부로부터 공급될 수 있다.

개질반응부(22)의 배출부(22b)에서 배출되는 개질가스는 제1유입부(24a)를 통해서 수성가스 변환부(24)로 유입된다. 수성가스 변환부(24)에서의 시프트 반응결과 일산화탄소가 제거된 제1개질가스는 제1배출부(24b)를 통해서 수성가스 변환부(24)로부터 배출된다. 이때, 제1배출부(24b)를 통해서 배출되는 제1개질가스의 진행방향(B)은 제1유입부(24a)와 제1배출부(24b)를 연결하는 직선의 연장선에 평행하게 이루어진다. 개질반응부(22)의 배출부(22b)와 수성가스 변환부(24)의 제1유입부(24a)는 예를 들어 소정의 각도를 갖는 곡관(curved tube)을 통해서 서로 유체소통이 가능하게 연결될 수 있다. 따라서, 개질반응부(22)의 배출부(22b)로부터 배출되는 개질가스는 상기 곡관을 통해서 수성가스 변환부(24)의 제1유입부(24a)로 유입될 수 있다.

마찬가지로, 수성가스 변환부(24)의 제1배출부(24b)로부터 배출되는 제1개질가스는 제2유입부(26a)를 통해서 선택적 산화부(26)로 유입된다. 선택적 산화부(26)에서의 선택적 산화작용에 의해서 일산화탄소가 제거됨으로써 생성되는 고순도의 수소는 제2배출부(26b)를 통해서 선택적 산화부(26)로부터 배출된다. 이때, 제2배출부(24b)를 통해서 배출되는 수소의 진행방향(B)은 제1개질가스의 진행방향(B)에 평행하면서 또한 제2유입부(24a)와 제2배출부(24b)를 연결하는 직선의 연장선에 평행하게 이루어질 수 있다. 예를 들어, 수성가스 변환부(24)의 제1배출부(24b)와 선택적 산화부(26)의 제2유입부(24a)는 직선의 배관을 통해서 서로 유체소통이 가능하게 연결될 수 있다. 따라서, 수성가스 변환부(24)의 제1배출부(24b)로부터 배출되는 제1개질가스는 상기 직선의 배관을 통해서 선택적 산화부(26)의 제2유입부(24a)로 유입된다.

개질기(20)에는 연료 공급부(10)으로부터 공급되는 수소함유연료의 다른 일부, 즉 연소연료를 연소시켜 열에너지를 생성하는 열원이 제공될 수 있다. 상기 열원에는 상기 공기 공급부로부터의 산화제가 공급된다. 이러한 열원에서 생성되 는 열에너지는 개질반응부(22) 및 CO 제거부에 공급되어, 개질반응부(22) 및 CO 제거부를 각각의 촉매 활성화 온도까지 가열시킨다. 예를 들어, 개질반응부(22)에 있어서, 개질촉매의 활성화 온도는 약 700℃ 이상이고, 상기 CO 제거부에 있어서, 상기 시프트 촉매의 활성화 온도는 약 400~200℃ 정도이고, 상기 산화촉매의 활성화 온도는 약 100℃ 미만 정도이다.

상술된 바와 같이, 상기 열원으로부터 공급되는 열에너지에 의해서 개질반응부(22)와 CO 제거부가 촉매 활성화 온도로 유지되어 있는 동안, 연료 공급부(10)로부터 수소함유연료가 개질연료로서 개질반응부(22)에 유입되고 또한 물은 물공급부(미도시)로부터 개질반응부(22)에 유입된다. 개질반응부(22)의 개질촉매 상에서 수소함유연료를 수증기 개질방식에 의해 개질함으로써 형성되는 수소를 주성분으로 하는 개질가스는 화살표(A)로 표시된 진행방향을 따라서 배출부(22a)로부터 배출된 후에 상기 곡관을 통해서 수성가스 변환부(24)로 유입된다.

수성가스 변환부(24)에서, 개질가스에 함유되어 있는 일산화탄소가 외부로부터 공급되는 물과 반응하여 제거됨으로써 제1개질가스가 생성되고, 이러한 제1개질가스는 화살표(B) 방향으로 따르는 진행방향으로 배출된 후에 상기 직선의 배관을 통해서 선택적 산화부(26)로 유입된다.

한편, 선택적 산화부(26)에 있어서, 제1개질가스에 잔류하는 일산화탄소는 외부로부터 공급되는 산소와 반응하여 제거되며 그 결과 생성되는 고순도의 수소는 전기 발생부(30)로 유입된다.

전기 발생부(30)에는 고분자막(32)과 고분자막(32)의 양측에 제공된 전 극(34, 36)으로 이루어진 전극막 조립체(MEA; Membrane Electrode Assembly)와, 상기 전극막 조립체의 양측에 각각 대면하는 상태로 설치되어 수소와 산소를 공급하는 분리판(38)으로 구성된 단위전지가 복수개 제공된다. 분리판(38)은 이에 한정되지는 않지만 인접하는 전극막 조립체들 사이에 개재되어 일면에는 수소를 공급하는 수소채널이 형성되어 있고 타면에는 산소를 공급하는 산소채널이 형성되어 있는 바이폴라 플레이트로 이루어질 수 있다.

이때, 개질기(20)의 선택적 산화부(26)로부터 전기 발생부(30)로 유입되는 고순도의 수소는 분리판(38)의 수소채널을 통해서 전극막 조립체의 애노드 전극(34)으로 공급되고, 공기 공급부로부터 전기 발생부(30)로 유입되는 산소는 분리판의 산소채널을 통해서 전극막 조립체의 캐소드 전극(36)으로 공급된다. 애노드 전극(34)에서의 수소산화반응과 캐소드 전극(36)에서의 산소환원반응을 통해서 전기가 생성되고 그 부산물로서 물이 생성된다.

이하, 수소함유연료를 사용하여 본 발명의 일실시예에 따른 개질기에서의 개질반응을 설명한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 개질기(120)는 부탄과 물이 유입되는 원료유입관(120b)과, 원료유입관(120b)을 통해서 유입되는 부탄과 물을 증발시키기 위한 증발기(120c)와, 증발기(120c)에서 공급되는 기상의 부탄과 수증기의 수증기 개질반응을 통해서 개질가스를 형성하는 개질반응부(122)와, 개질반응부(122)에서 생성되는 개질가스에 함유되어 있는 일산화탄소를 제거하는 수성가스 변환부(124a, 124b)를 갖는다. 도면번호 120d는 증발기에 열에너지를 공급하기 위한 연소부이다. 연소부(120d)에서의 연소반응결과 생성되는 배가스에 함유되어 있는 열을 회수하기 위하여 증발기의 외부에는 덮개(110)가 제공된다.

덮개(110)는 증발기와 개질반응부(122)에 걸쳐 제공된다. 개질반응부(122)와 덮개(110) 사이의 간극을 통해서 상기 배가스는 화살표(C) 방향을 따라서 배출된다. 이때, 개질반응부(122)에서의 개질작용에 의해서 생성되는 개질가스는 화살표(A) 방향을 따라서 진행하게 되며, 이러한 개질가스의 진행방향(A)은 배가스의 진행방향(C)과 실질적으로 평행하게 유지된다.

이때, 제1수성가스 변환부(124a)에는 상대적으로 높은 온도, 예를 들어 약 400℃ 정도의 촉매 활성화 온도를 갖는 고온용 시프트 촉매가 내장되어 있고, 제2수성가스 변환부(124b)에는 상대적으로 낮은 온도, 예를 들어 약 200℃ 정도의 촉매 활성화 온도를 갖는 저온용 시프트 촉매가 내장되어 있다. 상기 고온용 시프트 촉매는 Fe-Cr 계통의 촉매로 이루어지고, 상기 저온용 시프트 촉매는 Cu-Zn 계통의 촉매로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 제1수성가스 변환부(124a)는 배가스의 진행방향(C)의 경로에 위치하는 반면에 제2수성가스 변환부(124b)는 배가스의 진행방향(C)에 거의 직각방향으로 설치된다. 이는 배가스에 함유되어 있는 열에너지에 의해서 제2수성가스 변환부(124b)가 영향을 받는 것을 방지하기 위함이다.

따라서, 연소부(120d)에서의 연소작용에 의해서 공급되는 열에너지에 의해서 증발기(120c)가 충분히 가열된 상태에서 원료유입관(120b)을 통해서 유입되는 액체 상태의 부탄과 물은 기체상태로 상변이하게 된다. 이러한 기체상태의 부탄과 수증기는 개질반응부(122)에서의 수증기 개질반응을 통해서 수소를 주성분으로 하는 개질가스로 전환된다. 이러한 개질가스가 화살표(A) 방향을 따라서 제1수성가스 변환부(124a)로 유입된 후에 화살표(B) 방향을 따라서 제2수성가스 변환부(124b)를 진행하게 된다.

이와 같이 개질가스가 제1수성가스 변환부(124a)와 제2수성가스 변환부(124b)를 통과하는 동안, 개질가스에 함유되어 있는 일산화탄소는 제거되며, 그 결과, 일산화탄소의 함량이 감소된 제1개질가스를 생성하게 된다. 이러한 제1개질가스는 선택적 산화부(26; 도 2 참조)로 유입되어, 잔류하는 일산화탄소를 제거함으로써 고순도의 수소를 생성하게 된다. 이때, 개질반응부(122)에서 생성된 개질가스는 도시하지 않는 열교환기에 의해서 약 400℃ 정도로 강온되어 제1수성가스 변환부(124a)로 유입되고, 제1수성가스 변환부(124a)에서 생성된 제2개질가스는 열교환기(미도시)에 의해서 약 200℃ 정도로 강온되어 제2수성가스 변환부(124b)로 유입된다.

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

본 발명에 따르면, 개질반응부에서 배출되는 개질가스의 직진의 진행방향에 대하여 소정의 경사각으로 CO 제거부를 설치함으로써, CO 제거부가 개질반응부로부터 공기 대류에 의한 열전달 효과에 의한 열에너지의 영향을 받는 것을 방지하여 CO 제거부를 최적상태로 유지하여 개질효율을 향상시킬 수 있다.