KR100422804B1 - 연료 전지용 ｃｏ 제거장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지용 CO 제거장치에 관한 것으로서, 기존의 CO제거 반응기와 열교환기가 분리됨에 따라 넓은 공간을 차지하게 되어 장차의 대형화를 초래하고, 가스의 공급이 별도의 가스관을 통해 이루어짐에 따라 장치의 공간배치를 어렵게 하여 불필요한 공간을 차지하게 되는 요인이 되는 한편, 좁은 가스 배관을 통과한 가스들이 CO제거 반응기에 공급될 시, 좁은 공간 안에서 가스의 충분한 확산이 이루어지지 않아 촉매 층에 균일하게 확산되지 않고 통과함으로써, 촉매의 이용률 및 전환율을 낮게하는 문제점이 있는바, 이를 해결코자 장치 전체의 소형화와 일산화탄소 제거 성능을 향상하기 위해 개질 가스와 공기의 균일한 혼합도를 유지하기 위한 가스 믹싱부와 개질 가스의 온도 제어를 위한 열교환기가 CO제거 반응기에 통합되어 모듈화 된 다단계 형태의 연료 전지용 CO 제거장치를 제공하고자 한다.

Description

연료 전지용 ＣＯ 제거장치{Apparatus to remove carbon monoxide for fuel cell}

본 발명은 연료 전지용 CO 제거장치에 관한 것으로서, 기존의 CO제거 반응기와 열교환기가 분리됨에 따라 넓은 공간을 차지하게 되어 장차의 대형화를 초래하고, 가스의 공급이 별도의 가스관을 통해 이루어짐에 따라 장치의 공간배치를 어렵게 하여 불필요한 공간을 차지하게 되는 요인이 되는 한편, 좁은 가스 배관을 통과한 가스들이 CO제거 반응기에 공급될 시, 좁은 공간 안에서 가스의 충분한 확산이 이루어지지 않아 촉매 층에 균일하게 확산되지 않고 통과함으로써, 촉매의 이용률 및 전환율을 낮게하는 문제점이 있는바, 이를 해결코자 장치 전체의 소형화와 일산화탄소 제거 성능을 향상하기 위해 개질 가스와 공기의 균일한 혼합도를 유지하기 위한 가스 믹싱부와 개질 가스의 온도 제어를 위한 열교환기가 CO제거 반응기에 통합되어 모듈화 된 다단계 형태의 연료 전지용 CO 제거장치에 관한 것이다.

일반적으로, 고체 전해질형의 연료 전지 시스템은 양극판과 음극판 사이에 고체 고분자 전해질막을 겹쳐 만든 셀을 적층시킨 스택으로 구성된 연료 전지 본체에 연료 개질 장치에서 생성된 수소 리치(rich)한 개질 가스와 공기를 공급하여 전기 화학 반응을 일으키는 발전 시스템으로 근래 자동차의 구동형 전원에 사용되고 있다.

도 2는 종래의 연료 개질 장치를 나타내는 단면도로써, 상기 연료 개질 장치(100)는 탄화 수소와 물과의 촉매 반응으로 목적 생성물인 수소를 생산하는 개질기(110)를 구비하고 있는데, 상기 개질기(110)에서는 불가피하게 일어나는 탄화 수소의 분해 반응에 의해 수소 이외의 미량의 일산화탄소가 생성된다.

상기 일산화탄소는 연료 전지 본체의 촉매 피독을 초래하고, 발전 효율을 저하시킴과 동시에 연료 전지의 수명을 단축한다.

이 때문에 상기 연료 개질 장치(100)는 연료 전지 본체에 공급된 개질 가스로부터 일산화탄소를 미리 제거하는 목적으로 상기 개질기(110)보다 하류측에 CO 제거장치(120)를 구비하고 있다.

상기 CO 제거장치(120)는 개질기(110)로부터 생성된 수소 리치한 개질 가스를 선택 산화 촉매가 장착된 CO제거 반응기(140)에 통과시키는 것에 의해 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 선택적으로 산화하고 제거한다.

상기 개질기(110)로부터 생산되는 수소 리치한 가스는 대부분이 수소로 구성되어 있으므로 CO제거 반응기(140)에는 수소의 손실을 줄이며 일산화탄소의 이산화탄소로의 산화 반응을 촉진하는 산화 알루미늄과 같은 산성 산화물을 운반체로 하여 백금 등의 촉매가 사용된다.

이러한 촉매에는 일반적으로 상대적으로 높은 온도에서 반응이 진행될 시에 일산화탄소 대신 수소가 주로 반응하고, 일산화탄소가 일정 농도 이하로 감소될 수 없는 한계값이 존재한다.

또한, 일정 온도 이하에서 높은 농도의 일산화탄소에 촉매가 노출되는 경우 촉매가 피독되는 경향이 있다.

이러한 문제를 극복하고, 최종 일산화탄소의 농도를 연료 전지 스택이 요구하는 수준으로 저감하기 위해서는 CO제거 반응기(140)의 온도를 적정 온도로 유지함과 동시에 도입되는 개질 가스의 농도에 따라 각기 다른 온도로 제어되는 여러 단의 CO제거 반응기(140)를 설치하여 일산화탄소의 산화반응을 수행할 필요가 있다.

또한, 일산화탄소 산화 반응과 소량 일어나는 수소의 산화 반응은 발열 반응으로 각 CO제거 반응기(140)의 촉매층은 필연적인 온도의 상승을 초래하므로 발생한 열을 제거하여 개질 가스를 냉각할 수 있도록 하기 위한 열교환기(150)를 장착한다.

상기 CO 제거장치(120)의 구성은 공기 혼합기(130), CO제거 반응기(140), 열교환기(150)가 직렬로 반복적으로 연결되어 있는 형태로 구성된다.

상기 열교환기(150)는 CO제거 반응기(140)에 도입되는 개질 가스의 초기 온도를 원하는 온도로 설정할 수 있도록 한다.

개질 가스는 공기 혼합기(130)에서 산소와 혼합된 후 CO제거 반응기(140)를 통과하면서 일산화탄소가 선택적 산화되고 발열 반응에 의해 상승된 개질 가스의 온도는 다시 열교환기(150)에서 냉각된 후 다음에 연결된 CO제거 반응기(140)에 공급된다.

상기 CO 제거장치(120)로의 일산화탄소 선택 산화 반응에는 산소를 필요로하기 때문에 통상은 개질 가스에 공기를 혼합하고, 이 혼합가스를 촉매에 통과시키는 방법이 채택되고 있다.

그리고, 종래에는 선택 산화 촉매에 연결된 배관(160) 도중에 공기를 공급하는 방법이 채택되어 왔다.

그렇지만, 상기 배관(160) 도중에 공기 공급 통로(미도시)를 설치한 구조에 있어 공기와 개질 가스를 충분히 균일하게 혼합하기 위해서는 어느 정도의 배관(160) 길이가 필요해지기 때문에 종래의 구조에서는 연료 개질 장치(100)의 대형화, 더 나아가서는 연료 전지 시스템의 대형화를 초래한다.

역으로 종래의 구조에 있어 배관(160)의 길이를 단축하면 촉매상의 혼합이 충분하게 행해지지 않아 일산화탄소의 제거 성능을 최대한으로 인출할 수 없다.

상기 CO 제거장치(120)에서 수소 리치한 개질 가스중에 포함된 일산화탄소를 선택적으로 제거하기 위해서는 촉매의 특성에 적합한 온도 범위로 개질 가스의 온도를 조절할 필요가 있다.

종래에서는 개질 가스의 온도를 냉각시키기 위해 개질 가스와, 열을 발산시키는 핀(170a)이 장착된 냉각 유로(170)를 따라 흐르는 냉각 매체사이에서 열전달이 일어날 수 있도록 넓은 전열 면적을 갖는 열교환기(150)를 세개의 챔버로 이루어진 CO제거 반응기(140)와 별도로 설치하였고, 상기 열교환기(150)에서 배출되는 개질 가스는 배관(160)을 통해 상기 CO제거 반응기(140)에 공급되게 하였다.

이러한 구조는 상기 CO제거 반응기(140)와 열교환기(150)가 분리됨에 따라 넓은 공간을 차지하게 되어 장치의 대형화를 초래하였으며, 가스 공급이 별도의 배관(160)을 통해 이루어짐에 따라 장치들의 공간 배치를 어렵게 하여 불필요한 공간을 차지하게 하는 요인이 되었다.

또한, 좁은 배관(160)을 통과한 가스들이 CO제거 반응기(140)에 공급될시에 좁은 공간안에서 가스의 충분한 확산이 이루어지지 않아 허니컴 형태로 이루어진 촉매층에 균일하게 확산되지 않고 일부분에 집중되어 통과함으로써, 촉매의 이용률 및 전환율을 낮게 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 장치 전체의 소형화와 일산화탄소 제거 성능을 향상하기 위해 개질 가스와 공기의 균일한 혼합도를 유지하기 위한 가스 믹싱부와 개질 가스의 온도 제어를 위한 열교환기가 CO제거 반응기에 통합되어 모듈화 된 다단계 형태의 연료 전지용 CO 제거장치를 제공하는데 그 안출의 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지용 CO 제거장치를 나타내는 단면도

도 2는 종래의 연료 개질 장치를 나타내는 단면도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : CO 제거장치 11 : CO제거 반응기

11a : 촉매층 12 : 열교환기

12a : 튜브 13 : 공기 주입기

14 : 본체 15 : 플랜지부

16 : 가스관 17 : 유입부

18 : 배출부

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

개질기로부터 생성된 수소 리치한 개질 가스를 선택 산화 촉매가 장착된 CO제거 반응기에 통과시켜 상기 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 선택적으로 산화하는 CO 제거장치에 있어서, 실린더 형상의 본체(14)로 이루어진 상기 CO 제거장치(10)는 일산화탄소의 산화 반응을 수행하며, 촉매층(11a)이 장착된 CO제거 반응기(11)와;

상기 CO제거 반응기(11)에 도입되는 개질 가스의 초기온도를 원하는 온도로 냉각하는 한편, 컵형상으로 형성되며, 외벽에 냉각매체가 흐를수 있는 튜브(12a)가 형성된 열교환기(12)와;

상기 본체(14)의 상하단에 형성되어 개질 가스의 유입통로인 가스관(16)과;

냉각 매체가 외부에서 공급되고, 외부로 배출될 수 있도록 상기 본체(14)의외벽에 형성된 유입부(17) 및 배출부(18)로 구성되어 3단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

특히, 1단의 CO제거 반응기(11)는 초기 온도 상승으로 인한 피독을 방지할 수 있도록 촉매가 장착되지 않은 것을 특징으로 한다.

상기 CO제거 반응기(11)의 촉매층(11a)은 허니컴 형태인 것을 특징으로 한다.

상기 촉매층(11a)은 Pt, Ru, Base Metal계의 촉매가 코팅된 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 열교환기(12)의 저부는 개질 가스가 다음단의 CO제거 반응기(11)에 유입될 시, 촉매층(11a)에 균일하게 분산되어 공급될 수 있도록 굴곡 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 튜브(12a)는 코일 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공기 주입기(13)는 공기가 잘 분산, 주입될 수 있도록 작은 구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 공기 주입기(13)는 링형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지용 CO 제거장치를 나타내는 단면도이다.

CO 제거장치(10)는 개질기로부터 생성된 개질 가스 중에 최종 일산화탄소의 농도가 연료 전지 스택이 요구하는 수준으로 저감하기 위해 3단으로 구성된다.

공기가 균일하게 혼합된 개질 가스는 Pt, Ru, Base Metal계 등의 촉매가 코팅된 허니컴 구조체의 촉매층(11a)이 장착된 CO제거 반응기(11)를 통과하면서 일산화탄소의 산화 반응을 거친다.

이 산화 반응은 발열 반응이므로 필연적으로 개질 가스의 온도 상승을 초래하며, 촉매층(11a)을 통과한 개질 가스의 온도는 일정 농도로의 일산화탄소의 제거가 불가능한 온도까지 상승한다.

이러한 개질 가스에 포함되어 있는 일산화탄소를 제거하기 위해서 개질 가스를 다시 공기와 혼합한 후 냉각 매체가 흐르는 열교환기(12)를 통해 냉각시킨후 다음단의 CO제거 반응기(11)의 촉매층(11a)으로 공급한다.

이때, 1단의 CO제거 반응기(11)에는 초기 온도 상승으로 인한 피독을 방지할 수 있도록 촉매층(11a)이 장착되지 않는다.

상기한 과정을 실현하기 위해 1단의 CO 제거장치(10)는 CO제거 반응기(11), 열교환기(12), 공기 주입기(13)와 CO 제거장치(10)의 본체(14)로 구성된다.

상기 CO제거 반응기(11)는 CO 제거장치(10)의 플랜지부(15)에 연결되어 있어 가스관(16)을 통해 들어오는 개질 가스는 CO제거 반응기(11)를 통과하게 된다.

상기 CO제거 반응기(11)와 실린더 형상의 본체(14) 사이에는 열교환기(12)가 설치된다.

상기 열교환기(12)는 컵 형상의 구조로 되어 있으며, 외벽에 물과 같은 냉각 매체가 흐를 수 있는 유로, 즉 튜브(12a)가 코일 모양으로 형성되어 있다.

그리고, 유입부(17)와 배출부(18)를 상기 CO 제거장치(10)의 외벽에 각각 형성하여 냉각 매체가 CO 제거장치(10)의 외부에서 공급되어 다시 외부로 배출될 수 있도록 된다.

상기 열교환기(12)의 기능은 상기 CO제거 반응기(11)에서 배출되는 개질 가스의 흐름을 CO제거 반응기(11)와 열교환기(12) 사이를 통과하며 역방향으로 흐르도록 유도하여 상기 열교환기(12) 상부에 도달한 개질 가스가 다시 열교환기(12)와 CO 제거장치(10) 외벽 사이의 공간을 따라 아래 방향으로 흐르도록 한다.

이때, 상기 열교환기(12) 외벽에 형성된 냉각 매체가 흐르는 튜브(12a)에 개질 가스가 접촉하면서 열교환이 이루어져 가스가 냉각된다.

상기 열교환기(12)의 상부에 설치되어 있는 공기 주입기(13)는 링형상의 관에 작은 구멍들을 뚫어 공기가 잘 분산, 주입될 수 있도록 한다.

또한, 상기 열교환기(12)와 CO제거 반응기(11) 사이를 흐르는 개질 가스 흐름 속에서 주입된 공기는 개질 가스와 혼합된 후 열교환기(12)에 형성된 튜브(12a)와 CO 제거장치(10)의 본체(14) 사이의 좁은 공간을 흐르면서 완전히 혼합된다.

이처럼, 상기 열교환기(12)는 개질 가스를 냉각하는 기능 뿐만 아니라, 개질 가스를 좁은 공간으로 흐르게 하여 난류를 형성함으로써, 개질 가스와 공기를 혼합하는 교반 기능도 갖는다.

또한, 상기 열교환기(12)의 저부를 굴곡된 형상으로 형성함으로써, 개질 가스가 다음단의 CO제거 반응기(11)에 유입될 시, 허니컴 형태의 촉매층(11a)에 균일하게 분산되어 공급되는 것이 가능하게 된다.

이와 같은 상기 CO 제거장치(10)는 촉매가 없는 경우에 일반적인 가스의 온도 조절을 위한 열교환기로도 사용할 수 있다.

일반적으로 개질기에서 배출되는 가스의 온도는 약 300℃이다.

본 발명에서 약 300℃의 개질 가스는 가스관(16)을 통해 3단으로 구성된 CO 제거장치(10)로 유입되는데 이때, 초기 온도 상승으로 인한 피독을 방지할 수 있도록 1단의 CO제거 반응기(11)에는 촉매층(11a)을 장착하지 않고, 개질 가스를 통과시킨다.

상기 공기 주입기(13)에서 주입된 공기가 개질 가스에 확산되고 열교환기(12)에서 120℃로 냉각됨과 동시에 공기는 개질 가스와 완전히 혼합된다.

이와 같이, 냉각된 산소를 포함하는 개질 가스는 허니컴 구조의 촉매층(11a)이 장착된 2단의 CO제거 반응기(11)를 통과하면서 일산화탄소가 제거되고, 개질 가스의 온도는 120℃에서 200℃로 상승하게 된다.

이때, 개질 가스 중의 일산화탄소 농도는 감소하게 되나, 연료 전지 스택이 요구하는 수준까지는 도달하지 않을 수 있다.

이 개질 가스는 상기한 바와 같이, 가스의 튜브(12a)를 따라 다시 공기 주입기(13)와 접촉하면서 소량의 공기와 혼합된 후, 상기 열교환기(12)에서 100℃로 냉각되고, 3단으로 공급된다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 전지용 CO 제거장치는 모듈화 및 일체화로 장치의 소형화를 실현하고, 일산화탄소 제거 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 촉매층(11a)이 장착된 CO제거 반응기(11), 냉각매체가 흐를 수 있는 튜브(12a)가 형성된 열교환기(12) 및 공기의 주입을 위한 작은 구멍이 형성된 링형상의 공기 주입구(13)로 구성되는 CO 제거장치(10)를 실린더 형상의 본체(14) 내에 3단으로 배치하여서, 개질기로부터 생성된 수소 리치한 개질 가스를 선택 산화 촉매가 장착된 CO제거 반응기에 통과시켜 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 선택적으로 산화하는 연료 전지용 CO 제거장치에 있어서,

   상기 열교환기(12)는 CO 제거반응기(11)를 감싸는 컵형상으로 되어 있어서 CO 제거반응기(11)에서 배출되는 개질가스의 흐름이 CO 제거반응기(11)와 열교환기(12) 사이를 통과하면서 역방향으로 흐를 수 있도록 된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 전지용 CO 제거장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 1단에 배치되는 CO제거 반응기(11)는 초기 온도 상승으로 인한 피독을 방지할 수 있도록 촉매가 장착되지 않은 것을 특징으로 하는 연료 전지용 CO 제거장치.
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5. 제 1항에 있어서, 상기 열교환기(12)의 저부는 개질 가스가 다음단의 CO제거 반응기(11)에 유입될 시, 촉매층(11a)에 균일하게 분산되어 공급될 수 있도록 굴곡 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 CO 제거장치.
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